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ccd图像传感器的工作原理：50年前发明的CCD图像传感器工作原理图解

原标题：50年前发明的CCD图像传感器工作原理图解

1969年，沃勒德?保尔(Willard Boyle)与乔治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)于美国电报电话公司的贝尔实验室(AT&T Bell Labs)发明了电荷耦合组件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把记述CCD发明的技术文章提交到《贝尔系统技术期刊》(Bell System Technical Journal)。他们开发CCD的原意是把它用于建构内存装置。不过，保尔和史密斯1970年的研究出版后，其它科研人员开始把有关技术试作于其它方面的应用。天文学家发现CCD具有相较摄影胶片高100倍的感光能力，因而可以用于拍摄高分辨率的遥距图像。

Teledyne e2v CCD47-20 背照13.3 μm 像素1024 x 1024传感器

CCD是一个具有极高灵敏度的光子传感器。一个CCD 会被分割成大量微小光敏单元(就是我们常说的像素)，以便用于整合成目标画面。一个光子来到某个像素的范围时，便会转换成一个(或多个)电子，而收集到的电子数量会与每个像素接收的光线强度成正比例。当CCD时钟输出时，每个像素内的电子数目便会被测量出来，以用于重建画面。

CCD阵列切面图

在集成级，电荷通过电子云或电子斗采集到偏置电极。每个像素需要最少两个电极用于控制这一电荷采集，不过科学设备一般会使用四个电极以便于优化尖峰信号。

在这区域里，电荷会与一个正向施加电压一同采集。在具体工作中，电荷储存于掩埋通道部分以避免与表面有接触，而各个通道‘行’之间则有通道阻绝层作分隔。上图显示了单个CCD像素的结构。大量的像素组合起来，便构成一个成像设备，例如Teledyne e2v 的CCD290便具有8100万像素。下图显示的是一个3x3的像素阵列。

带电极和通道‘行’的CCD阵列切面图

用于控制CCD内电子活动的电极或门是以多晶硅(而不是金属)制成，它的透明度能够让400 nm左右波长的光线通过。由于所有像素都是一致而且通过同一端口读出，所以能够提供质量均一的图像。

读出

在大多数的CCD里，每个像素里的电极经配置，电荷会沿着通道‘行’向下转移。因此，当CCD时钟工作时，各个列会向下转移到最后一行(即读出记录器)，然后把每一像素的电荷转移到CCD外部以便于测量。而在读出记录器里的电极经配置，电荷会以水平方向在记录器内转移。

电荷从被采集到读出，它是以每次一个电荷包的形式传送到一个输出放大器，在那里电荷会转换为电压。在读出工作进行时，电极会在高电压和低电压之间交换偏置，以便于电荷沿着阵列向下转移。

下图显示单个转移步骤的工作原理。在一个4相位架构里，要把一个像素沿着阵列传送到底部，便要进行4次转移。

在某个相位的图像范围内的所有电极都是互连的，所以要把电荷传送到图像范围底部的读出记录器，只需要4个时钟。每次只有一行电荷转移到读出记录器。然后读出记录器会以相同的时钟，每次读出一个像素到输出节点，把电荷转为电压。下图显示了一个4x4像素三相位器件的工作原理：

电荷转移原理

由于整个阵列是通过单个放大器进行阅读，因而可以高度优化输出，尽可能减小噪声并实现极高的动态范围。一般的CCD可以提供100dB 的动态范围以及小于2e的噪声。

一部CCD相机或仪器一般包含一个CCD芯片以及相关电子器件，这些相关器件是用于放大CCD上的小电压、移除噪声、数字化像素数值，以及把每个像素的数值输出到外部，例如是处理器。CCD是一个模拟器件，而模拟电压数值会由相机的电子部件转换为数字格式。

读出记录器

Teledyne成像的传感器的功能涵盖从X光到超长波红外线的整个光谱范围

硬X光/软X光/真空紫外线/紫外线/可见光/短波红外线/中波红外线/长波红外线/超长波红外线

硅/InAs/GaSb (T2SL)/HgCdTe (MCT)/去基板HgCdTe (MCT)/InSb/InGaAs/锗(GE)/InAs/PbS/PbSe/SiAs/VOx

Teledyne e2v可以提供多种成像工程元素周期表上的复合半导体材料，依照应用需求提供合适技术解决方案。其具备的各种图像传感器技术，包括从CCD、CMOS，到混合红外ROIC数组和微测辐射热计，以及更多其它技术。

主要CCD 参数

量子效率

CCD能够测得的光子百分比被称为量子效率(Quantum Effciency，QE)。人类肉眼的QE大约是20%，摄影胶片的QE则是10%左右。而现代的CCD能够实现大于90%的QE。量子效率会因波长而有差异，而通过诸如背薄(backthinning)、 背照 (back-illumination)、反眩光涂层和高阻硅等各种创新，可以使CCD的量子效率涵盖到各种波长。

波长范围

CCD的波长范围可以从0.1nm (软X光) 到 400 nm (蓝色可见光)，甚至达到1000 nm (近红外线)，而尖峰灵敏度可达到700 nm左右。利用背照可以实现较短的X光和紫外光波长检测，而低噪声和高阻硅技术则有助于提高对较长的近红外线波长的灵敏度。

动态范围

能够正确读出同一图像的光亮和模糊来源，是测量器的一个非常有用的特点。测量器准确读出图像内最光亮和最模糊来源二者之间的差异被称为动态范围。

当光线来到CCD上，光子会转换成电子。CCD的动态范围一般是以可成像的最小和最大电子数目为量度单位。落可CCD上的光线越多，在电位井(p-井)内收集到的电子数目也就越多。当电位井无法再接收更多的电子时，意味着像素达到饱和状态。在典型的科学用CCD，这情况大约会在150,000个电子时发生。

可测量的最小信号单位不一定是一个电子(相等于可见波长的一个光子)。具体来说，最小电子噪声一般是与CCD实体结构相关，最小大约是每像素2至4个电子。所以可测量的最小信号是由这读出噪声来决定。单电子或电子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，EMCCD) 都是经设计用于高灵敏度测量的超低噪声传感器，可以量度出小至数个光子或电子的信号。

线性度

测量器的另一重要考虑是对它所见的任何图像的线性响应能力。如果CCD测出100个光子，它便会把它们转换为100个电子(假设QE为100%)。在这一状况下，测量器有一个线性响应。线性响应的用处在于无需对图像进行附加处理，便可以测定图像上不同主体的真正和真实密度。

噪声

CCD的噪声表现取决于多个因素。

暗电流

暗电流是由温度产生的噪声。在室温，CCD的噪声表现可以是每像素每秒数千个电子。在这情形下，每个像素有机会在数秒间达到满井容量，使得CCD饱和。

可以利用诸如珀耳帖冷凝器(Peltier cooler)甚至是致冷器(cryo-cooler)等系统来为检测器降温来解决暗电流问题。在-40° C温度下， CCD的噪声表现可以降低到每像素每秒数十个电子。

读出噪声

读出噪声源于每个像素内的电子在CCD输出节点上转换为电压的工作。噪声的幅度取决于输出节点的大小。在减小CCD读出噪声方面已有一些技术进步，而这一工作将继续成为现在和未来CCD发展的重要部分。

读出噪声能影响动态范围，所以必需尽可能减小，这在微小能量检测应用方面至关重要。欧洲航天局(ESA)的 XMM-牛顿太空卫星内检测X光能量中的光子就是一个例子。

功耗

CCD本身需要很小功耗。主要的功耗考虑来自操作CCD和处理图像所需的电子器件。返回搜狐，查看更多

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ccd图像传感器的工作原理：ccd传感器工作原理

　　电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。
ccd传感器工作原理
　　CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。
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　　当光照射到ＣＣＤ硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子－空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）电荷转移的控制方法，类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。
?
　　三相控制是每一排像素上有三个金属电极P1，P2，P3，依次施加三个相位不同的脉冲，使得每排电极下电荷包向一侧移动。

　　随着控制脉冲的分配，电荷包从一侧转移到最终端，由输出二极管收集后送给放大器处理，实现电荷移动。当各排电荷全部移出感应区即扫描完成一幅画面，这些电荷最终以二进制的形式存储或修改。
　　以上是从微观方面介绍了CCD图像传感器中核心原件感官电路的原理，在宏观方面按照结构又可分为两类：CCD线列图像传感器和CCD面阵图像传感器，它们在结构方面的差异导致了用途的不同，但原理一样，都是利用了CCD的光电转换和电荷转移的双重功能制成， 线阵CCD：用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。而CCD面阵图像传感器有呈二维矩阵排列的感光单元——感光区、信号存储区和输出转移部分组成，根据传输和读出的结构方式不同又分为：行传输、帧传输、行间传输等。

ccd图像传感器的工作原理：CCD图像传感器的工作原理及其特点

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　　构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。工作时，需要在金属栅极上加一定的偏压，形成势阱以容纳电荷，电荷的多少与光强成线性关系。电荷读出时，在一定相位关系的移位脉冲作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移出CCD，经过电荷ˉ电压变换，转换为模拟信号。由于在CCD中每个像元的势阱所容纳电荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太强，一旦电荷填满势阱，电子将产生“溢出”现象。另外，在电荷读出时，由于它是从一个位置到下一个位置的电荷转移过程，所以存在电荷的转移效率和转移损失问题。
　　电荷耦合摄像器件（CCD）的突出特点是以电荷为信号载体。它的功能是接受存储模拟电荷信号，并将它逐级转移（并存储）输送到输出端。其基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测，因此实际上相当于一个模拟移位存储器。主要有信息处理用延迟线、存储器和光电摄像器件三个方向应用。
　　CCD有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。作为图像传感器用摄像器件还另外具有光敏元阵列和转移栅，以进行光电转移，并将光电转换的信号电荷转移到CCD转移电极下。
　　由CCD图像传感器的结构和工作原理决定了这类器件有以下优点：
　　● CCD是一种固体化器件，体积小、重量轻、可靠性高、寿命长：
　　● 图像畸变小、尺寸重现性好；
　　● 具有较高的空间分辨率；
　　● 光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度和测量精度；
　　● 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。
　　
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