本文介紹了三種 CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，涉及全幀（FF）、幀傳輸（FT）和行間傳輸（IT）三種 CCD 的架構(gòu)。

全幀（Full-Frame）CCD
半導(dǎo)體區(qū)域既可以作為光電元件，也可以作為電荷轉(zhuǎn)移器件，這有點(diǎn)違反直覺，但這正是 FF CCD 中發(fā)生的事情。在集成過程中，像素位置響應(yīng)入射光子積累電荷，在集成之后，電荷包垂直地通過像素位置向水平移位寄存器移動(dòng)。

一般情況下，我們通過應(yīng)用精心定時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)來獲得 CCD 像素?cái)?shù)據(jù)，這些時(shí)鐘信號(hào)依次在器件的電荷傳輸結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電位阱和電位屏障。在全幀 CCD 中，我們需要能夠?qū)⑦@些控制電壓應(yīng)用到同樣起光電探測器作用的區(qū)域，因此，柵極電極由透明多晶硅制成。

全幀 CCD 相對而言比較簡單且易于制造，并且它們允許整個(gè) CCD 表面具有光敏性。這使硅的給定區(qū)域中可以包含的像素?cái)?shù)量最大化，同時(shí)也使每個(gè)像素中實(shí)際上能夠?qū)⒐庾愚D(zhuǎn)換為電子的部分最大化。

然而，一個(gè)主要的限制是需要一個(gè)機(jī)械快門（或一個(gè)同步的、短時(shí)間的光源稱為頻閃）。CCD 的光激活區(qū)并不會(huì)因?yàn)槟阋呀?jīng)決定是時(shí)候執(zhí)行讀出而停止光激活。如果沒有在曝光周期完成后阻擋入射光的機(jī)械快門，則在（有意）集成期間生成的電荷包將被讀出期間到達(dá)的光損壞。

這是全幀 CCD 的基本架構(gòu)

幀傳輸（Frame-Transfer）CCD
一般來說，我們更喜歡用電子方式控制曝光，快門（像任何其他快速移動(dòng)的高精度機(jī)械設(shè)備一樣）使設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，最終產(chǎn)品更加昂貴，整個(gè)系統(tǒng)更容易出現(xiàn)故障。在電池供電的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)物理物體所需的額外能量也是不可取的。

FT-CCD 允許我們保持 FF-CCD 的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)（幾乎）不需要快門。這是通過將 FF CCD 分成兩個(gè)大小相等的部分來實(shí)現(xiàn)的。其中一個(gè)部分是普通的光敏成像陣列，另一個(gè)部分是屏蔽入射光的存儲(chǔ)陣列。

在集成之后，用于所有像素的電荷包被快速地傳輸?shù)酱鎯?chǔ)陣列，然后在存儲(chǔ)陣列中發(fā)生讀出。當(dāng)讀取存儲(chǔ)位置時(shí)，活動(dòng)像素可以為下一圖像累積電荷，這使得幀傳輸 CCD 能夠獲得比全幀 CCD 更高的幀速率。

說 FT 架構(gòu)幾乎消除了快門，因?yàn)闊o快門設(shè)計(jì)會(huì)遇到一個(gè)稱為垂直涂抹的問題。電荷包從活動(dòng)像素到存儲(chǔ)位置的傳輸很快，但不是瞬間發(fā)生的，因此在垂直傳輸期間到達(dá)傳感器的光可以改變圖像信息。

FT 架構(gòu)的主要缺點(diǎn)是成本較高，并且相對于圖像質(zhì)量而言面積增大，因?yàn)榛旧鲜鞘褂?FF 傳感器，然后將像素?cái)?shù)減少兩倍。

幀傳輸 CCD 在全幀架構(gòu)中增加了一個(gè)存儲(chǔ)陣列

線間傳輸（Interline-Transfer）CCD
我們需要的最后一個(gè)主要的架構(gòu)改進(jìn)是將集成電荷快速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)域，從而將污跡降低到可以忽略的程度。線間傳輸 CCD 通過提供與每個(gè)光活動(dòng)位置相鄰的存儲(chǔ)（和傳輸）區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。曝光完成后，傳感器中的每個(gè)電荷包同時(shí)傳輸?shù)椒枪饷舸怪币莆患拇嫫髦小?/p>

因此，它的 CCD 能夠以最小的拖影實(shí)現(xiàn)電子快門，并且像 FT-ccd 一樣，它們可以在讀出期間集成，從而保持較高的幀速率能力。然而，如果光生電荷在讀出過程中從光活性柱泄漏到相鄰的垂直移位寄存器中，則可能發(fā)生一些涂抹。如果應(yīng)用程序不需要高幀速率，則可以通過延遲積分直到讀出完成來消除此問題。

線間 CCD 不需要幀傳輸 CCD 中使用的大存儲(chǔ)部分，但它們引入了一個(gè)新的缺點(diǎn)：傳感器成為將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率較低的手段，因?yàn)槊總€(gè)像素位置現(xiàn)在都由光電二極管和垂直移位寄存器的一部分組成。換言之，部分像素對光不敏感，因此相對于落在像素區(qū)域上的光的量產(chǎn)生較少的電荷。這種靈敏度的損失通過在傳感器上添加將入射光集中到每個(gè)像素的光活動(dòng)區(qū)域的微小透鏡而大大減輕，但是這些“微透鏡”有其自身的一系列困難。

在行間傳輸架構(gòu)中，存儲(chǔ)（和垂直傳輸）區(qū)域位于光活性柱之間。

結(jié)論
希望這篇文章能幫助理解在設(shè)計(jì) CCD 圖像傳感器時(shí)所涉及的權(quán)衡。全幀 CCD 可能看起來是最“原始”的類型，但它們?nèi)匀皇遣恍枰邘俾实南到y(tǒng)中的首選，并且可以容忍閃光燈或機(jī)械快門的使用。幀傳輸 CCD 和線間傳輸 CCD 具有更多的用途，在某些應(yīng)用中具有關(guān)鍵的優(yōu)勢。

審核編輯 黃昊宇