如何權(quán)衡CCD圖像傳感器的各種優(yōu)缺點(diǎn)？

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(jué)，但這正是 FF CCD 中發(fā)生的事情。在集成過(guò)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(guò)像素位置向水平移位寄存器移動(dòng)。

一般情況下，我們通過(guò)應(yīng)用精心定時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)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(cè)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(duì)而言比較簡(jiǎn)單且易于制造，并且它們?cè)试S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(mén)（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(méi)有在曝光周期完成后阻擋入射光的機(jī)械快門(mén)，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(lái)說(shuō)，我們更喜歡用電子方式控制曝光，快門(mén)（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(mén)。這是通過(guò)將 FF CCD 分成兩個(gè)大小相等的部分來(lái)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(shuō) FT 架構(gòu)幾乎消除了快門(mén)，因?yàn)闊o(wú)快門(mén)設(shè)計(jì)會(huì)遇到一個(gè)稱為垂直涂抹的問(wèn)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(duì)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(guò)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(lái)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(mén)，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(guò)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(guò)延遲積分直到讀出完成來(lái)消除此問(wèn)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(duì)光不敏感，因此相對(duì)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(guò)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(lái)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(mén)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(shì)。

審核編輯 黃昊宇