CCD（電荷耦合器件）架構的特點、優點和缺點

我發現半導體區域既可以充當光敏元件又可以充當電荷轉移器件，這在某種程度上是違反直覺的，但這正是 FF CCD 中發生的情況。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 像素數據，這些時鐘信號依次在器件的電荷傳輸結構中創建勢阱和勢壘。在全畫幅 CCD 中，我們需要能夠將這些控制電壓應用到同時充當光電探測器的區域。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量，并且還化了每個像素實際上能夠將光子轉換成電子的部分。

然而，一個主要限制是需要機械快門（或稱為頻閃燈的同步、短持續時間光源）。CCD 的感光區域不會僅僅因為您決定執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。

幀傳輸 CCD

一般來說，我們更喜歡以電子方式控制曝光。快門（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，終產品更加昂貴，并且整個系統更容易出現故障。在電池供電的應用中，驅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到存儲陣列，然后在存儲陣列中進行讀出。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 能夠實現比全幀 CCD 更高的幀速率。

我說 FT 架構幾乎消除了快門，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 架構的主要缺點是成本較高，并且相對于圖像質量而言面積增加，因為您基本上采用 FF 傳感器，然后將像素數量減少兩倍。

幀傳輸CCD在全幀架構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改進是某種將集成電荷快速轉移到存儲區域的方法，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）區域網絡來實現這一點。曝光完成后，傳感器中的每個電荷包都會同時傳輸到非光敏垂直移位寄存器中。

因此，IT CCD 可實現電子快門且拖尾，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生的電荷泄漏到相鄰的垂直移位寄存器中，則可能會發生一些拖尾。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：傳感器將光子轉換為電子的效率較低，因為每個像素位置現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域上的光量而言，產生較少的電荷。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。

在行間傳輸架構中，存儲（和垂直傳輸）區域位于光敏柱之間。

結論

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中，它們仍然是。幀傳輸 CCD 和行間傳輸 CCD 用途更加廣泛，在某些應用中具有至關重要的優勢。