CCD传感器的种类及工作原理

CCD是美国贝尔实验室于一九六九年发明的，与电脑晶片CMOS技术相似。也可作为计算机记忆体和逻辑操作片。CCD它是一种由大量独立的感光单元按矩阵形式排列而成的特殊半导体材料。CCD感光能力比PMT低，但近几年来CCD技术进步很大。CCD它体积小，成本低，广泛应用于扫描仪、数码相机和数码相机。目前，大多数数码相机使用的图像传感器都是CCD。

电荷耦合器件图像传感器CCD（ChargeCoupLEDDevICe），它由高灵敏度的半导体材料制成，可以将光转化为电荷，并通过模数转换器芯片BA3812L转化为数字信号。数字信号压缩后，由相机内的闪存或内置硬盘卡保存。因此，借助计算机的处理方法，数据可以很容易地传输到计算机，根据需要和想象修改图像。CCD颜色本身无法区分，所以在实际应用中需要使用颜色滤镜。一般来说，它是CCD设备的过滤层涂上不同的颜色，其色块根据不同的颜色G-R-G-B(绿色-红色-绿色-蓝色)顺序排列，使每个滤镜单元下的感光单元感应不同的颜色。

一，CCD传感器的工作原理

CCD基本单位是MOS电容器，这种电容器可以储存电荷。以P型硅为例，在P型硅衬底上氧化形成表面SiO2层，然后在SiO一层金属上淀积为栅极，P型硅中的大多数载流子是带有正电荷的孔，少数载流子是带有负电荷的电子。当正电压施加在金属电极上时，其电场可以通过SiO绝缘层排斥或吸引这些载流子。因此，带正电源的空穴被排除在远离电极的地方，留下一些带负电源的载流子，这些载流子无法移动SiO二层形成负电荷层(耗尽层)，这种现象就形成了电子陷阱，电子一旦进入就无法复出，因此也被称为电子潜在陷阱。

当设备被照亮时(光可以通过每个电极的间隙SiO当光子的能量被半导体吸收并产生电子空穴时，电子被吸引并存储在潜在的陷阱中。这些电子可以传输。光线越强，在潜在陷阱中收集的电子越多，光线越弱，反之亦然。这样，光的强度就变成了电荷的数量，实现了光和电的转换，在潜在陷阱中收集的电子被储存起来，即使停止照明一段时间，也不会丢失，从而实现对照明的记忆。

总之，上述结构本质上是小的MOS电容，用它来形成象素，可以“感光”又可留下“潜影”，感光效应是由光强产生的电子积累的电荷。潜在的阴影是由每个电容器中留下的每个像素的不同电荷形成的。如果每个电容器中的电荷可以依次传输到其他地方，然后形成行和帧并通过“显影”实现了图像的传递。

二，CCD传感器的类型

面阵CCD

面阵CCD：在任何快门速度下，允许摄影师一次曝光移动物体。

面阵CCD一般有三种结构。第一个是帧转性CCD。它由上部和下部组成。上部是集中像素的光敏区域，下部是集中垂直寄存器的存储区域。它的优点是结构简单，容易增加像素数，缺点是CCD尺寸大，容易产生垂直拖影。第二种是行间转移性CCD。它是目前CCD主流产品是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是单片价格低，容易获得良好的摄影特性。第三个是帧行之间的转移CCD。它是第一种和第二种类型的复合型，结构复杂，但是可以大大降低垂直拖影，容易实现可变电子快门。

线阵CCD

线阵CCD：用一排像素扫描图片并进行三次曝光——对应于红色、绿色和蓝色滤镜。如名称所示，线性传感器捕获一维图像。在广告行业拍摄静态图像、线性阵列和处理高分辨率图像的初始阶段，它仅限于非移动连续照明的对象。

三线传感器CCD

三线传感器CCD：在三线传感器中，三排平行像素分别覆盖RGB过滤器，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排像素组成。CCD高端数码相机多采用传感器，产生高分辨率和光谱色阶。

交织传输CCD：这种传感器使用单独的阵列来吸收图像和功率转换，允许在拍摄下一张图像时读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播摄像机。

三，CCD传感器的全幅面CCD

全幅面CCD：此种CCD具有更大的功率处理能力，更好的动态范围，低噪声和传输光学分辨率，全宽度表面CCD允许即时拍摄全彩照片。全面全面CCD由平行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。CCD曝光由机械快门或门控制，以保存图像，并行寄存器用于测量和读取测量值。图像被投影屏幕的平行阵列拍摄。该组件接收图像信息，并将其划分为由数量决定的离散元素。这些信息流将从平行寄存器流向串行寄存器。在所有信息传输完成之前，应重复执行此过程。然后，系统进行了精确的图像重组。

四，CCD传感器结构

CCD它由许多光敏像元组成，按照一定的规律排列。每个图像元是一个MOS电容器(多为光敏二极管)Si一层厚度约为1000A～1500A的SiO2，再在SiO2.金属层(多晶硅)在表面蒸发，在衬底和金属电极之间增加一个偏置电压，形成一个偏置电压MOS电容器。当一束光线投射到MOS在电容器上，光子通过透明电极和氧化层进入P型Si在衬里中，价格带中的电子将吸收光子的能量并跳跃到导带中。光子进入衬里时产生的电子跃迁形成电子空穴对，电子空穴在外部电场的作用下移动到电极的两端，即信号电荷。这些信号电荷由电极形成"势阱"中。

MOS电容器的电荷存储容量可由下式获得：

QS=Ci×VG×A

式中：QS是电荷储存；

Ci是单位面积氧化层的电容；VG增加偏置电压；

A是MOS电容栅的面积。

由此可见，光敏元面积越大，其光电灵敏度越高。

五，CCD传感器的特性

①调制传递函数MTF特征：固态图像传感器由像素矩阵和相应的转移部分组成。虽然固体像素非常小，间隔很小，但它仍然是识别小图像或再现图像细微部分的主要障碍。

②输出饱和度特性：当图像传感器上的强光照射在饱和曝光以上时，传感器的输出电压会饱和，这被称为输出饱和度特性。输出饱和度的根本原因是光敏二极管或MOS电容器只能产生和积累一定极限的光生信号电荷。

③暗输出特性:暗输出又称无照输出，是指无光图像

CCD当传感器信号被照射时，传感器仍然具有小输出的特性，输出来自黑暗〔无照)电流。

④灵敏度：单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图像传感器的灵敏度，器的图像元大小有关。

⑤扩散：饱和曝光以上的过亮光图像将在象素中产生并积累过饱和信号电荷。此时，过饱和电荷将通过衬底从像素的潜在陷阱扩散到相邻像素的潜在陷阱。这样，亮度不应出现在再生图像上，而是出现在亮度上。这种情况称为扩散现象。

⑥残像:扫描一个像素并读取其信号电荷后，下次扫描后读取的信号仍然受到上次遗留信号电荷的影响，称为残像。

⑦等效噪声曝光：产生与暗输出(电压)等值的曝光称为传感器的等效噪声曝光。