CCD（電荷耦合器件）架構(gòu)的特點、優(yōu)點和缺點

　　我發(fā)現(xiàn)半導體區(qū)域既可以充當光敏元件又可以充當電荷轉(zhuǎn)移器件，這在某種程度上是違反直覺的，但這正是 FF CCD 中發(fā)生的情況。在積分過程中，像素位置響應入射光子而積累電荷。積分后，電荷包通過像素位置垂直移動到水平移位寄存器。

　　正如我們從上一篇文章中了解到的，我們通過應用精心定時的時鐘信號來獲取 CCD 像素數(shù)據(jù)，這些時鐘信號依次在器件的電荷傳輸結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建勢阱和勢壘。在全畫幅 CCD 中，我們需要能夠?qū)⑦@些控制電壓應用到同時充當光電探測器的區(qū)域。因此，柵電極由透明多晶硅制成。

　　全畫幅 CCD（相對）簡單且（相對）易于制造，并且它們允許整個 CCD 表面對光敏感。這化了給定硅面積中可以包含的像素數(shù)量，并且還化了每個像素實際上能夠?qū)⒐庾愚D(zhuǎn)換成電子的部分。

　　然而，一個主要限制是需要機械快門（或稱為頻閃燈的同步、短持續(xù)時間光源）。CCD 的感光區(qū)域不會僅僅因為您決定執(zhí)行讀出的時間而停止感光。如果沒有機械快門在曝光期完成后阻擋入射光，（有意）積分期間生成的電荷包將被讀出期間到達的光破壞。

　　這就是全畫幅CCD的基本架構(gòu)。

　　幀傳輸 CCD

　　一般來說，我們更喜歡以電子方式控制曝光?？扉T（與任何其他快速移動的高精度機械設備一樣）使設計更加復雜，終產(chǎn)品更加昂貴，并且整個系統(tǒng)更容易出現(xiàn)故障。在電池供電的應用中，驅(qū)動物理物體所需的額外能量也是不受歡迎的。

　　FT CCD 使我們能夠保留 FF CCD 的一些優(yōu)點，同時（幾乎）消除對快門的需要。這是通過將 FF CCD 分成兩個相同大小的部分來實現(xiàn)的。其中一個部分是正常的光敏成像陣列，另一個部分是屏蔽入射光的存儲陣列。

　　集成后，所有像素的電荷包被快速傳輸?shù)酱鎯﹃嚵校缓笤诖鎯﹃嚵兄羞M行讀出。當存儲位置被讀出時，活動像素可以為下一張圖像積累電荷，這使得幀傳輸 CCD 能夠?qū)崿F(xiàn)比全幀 CCD 更高的幀速率。

　　我說 FT 架構(gòu)幾乎消除了快門，因為無快門設計會遇到稱為垂直拖尾的問題。電荷包從有源像素到存儲位置的傳輸發(fā)生得很快，但不是瞬時的，因此圖像信息可能會被垂直傳輸期間到達傳感器的光改變。

　　FT 架構(gòu)的主要缺點是成本較高，并且相對于圖像質(zhì)量而言面積增加，因為您基本上采用 FF 傳感器，然后將像素數(shù)量減少兩倍。

　　幀傳輸CCD在全幀架構(gòu)的基礎上增加了存儲陣列。

　　行間傳輸 CCD

　　我們需要的一個主要架構(gòu)改進是某種將集成電荷快速轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)域的方法，從而將拖尾減少到可以忽略不計的水平。行間傳輸 CCD 通過提供與每個光敏位置相鄰的存儲（和傳輸）區(qū)域網(wǎng)絡來實現(xiàn)這一點。曝光完成后，傳感器中的每個電荷包都會同時傳輸?shù)椒枪饷舸怪币莆患拇嫫髦小?/p>

　　因此，IT CCD 可實現(xiàn)電子快門且拖尾，并且與 FT CCD 一樣，它們可以在讀出過程中進行集成，從而保持較高的幀速率能力。然而，如果在讀出期間來自光活性列的光產(chǎn)生的電荷泄漏到相鄰的垂直移位寄存器中，則可能會發(fā)生一些拖尾。如果應用程序不需要高幀速率，可以通過延遲積分直到讀出完成來消除此問題。

　　行間 CCD 不需要幀傳輸 CCD 中使用的大型存儲部分，但它們引入了一個新的缺點：傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率較低，因為每個像素位置現(xiàn)在由一個光電二極管和一部分組成。垂直移位寄存器。換句話說，像素的一部分對光不敏感，因此相對于落在像素區(qū)域上的光量而言，產(chǎn)生較少的電荷。通過在傳感器中添加微型透鏡，將入射光集中到每個像素的光敏區(qū)域，可以大大減輕這種靈敏度的損失，但這些“微透鏡”有其自身的一系列困難。

　　在行間傳輸架構(gòu)中，存儲（和垂直傳輸）區(qū)域位于光敏柱之間。

　　結(jié)論

　　我希望本文能幫助您了解 CCD 圖像傳感器設計中涉及的權(quán)衡。全畫幅 CCD 可能看起來是“原始”的類型，但我相信，在不需要高幀速率且可以容忍使用頻閃或機械快門的系統(tǒng)中，它們?nèi)匀皇?。幀傳?CCD 和行間傳輸 CCD 用途更加廣泛，在某些應用中具有至關(guān)重要的優(yōu)勢。