CCD傳感器的基本原理及過程示意圖

CCD傳感器，全稱為電荷耦合器件（Charge-coupled Device），是一種用于圖像捕獲的半導體器件。它通過將光線轉換成電荷來記錄圖像，然后將這些電荷轉換成數字信號以供處理或存儲。

CCD傳感器由數百萬到數千萬個微小的光敏元件（稱為像素）組成，這些像素按照矩陣排列。每個像素都能獨立地感測光線的強度和顏色，并將其轉換為相應的電荷。當光線照射到CCD傳感器上時，它會被像素吸收，并產生與光線強度成比例的電荷。

一旦像素捕獲了足夠的電荷，這些電荷就會被轉移到相鄰的像素中，形成一個電荷包。這個過程通過傳感器內部的電荷轉移機制進行，類似于水桶傳遞水的原理。電荷包隨后被讀取并轉換為數字信號，這樣就可以在計算機上顯示或處理圖像了。

CCD傳感器的基本原理

CCD的最基本單元：MOS電容器是構成CCD的最基本單元是，它是金屬一氧化物一半導體（MOS〉器件中結構最為簡單的。

MOs電容器

信號電荷的產生：CCD工作過程的第一步是電荷的產生。CCD可以將入射光信號轉換為電荷輸出，依據的是半導體的內光電效應（也就是光生伏特效應）。

CCD工作過程示意圖

信號電荷的存儲：CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。

信號電荷的傳輸（耦合〉：CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉移，就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。

信號電荷的檢測：CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。

輸出類型，主要有以下三種：

1〉電流輸出

2）浮置棚放大器輸出

3）浮置擴散放大器輸出

cCD傳感器的結構類型

CCD（Charge-Coupled Device）傳感器的結構類型主要包括以下幾種：

1. **Interline Transfer CCD（IT-CCD）**：IT-CCD 結構是最常見的 CCD 結構之一。它通過交錯排列的感光單元和垂直傳輸通道實現圖像的捕捉和傳輸。在曝光期間，光信號被轉換為電荷并存儲在感光單元中，然后通過傳輸通道逐行傳輸至讀取單元。

2. **Frame Transfer CCD（FT-CCD）**：FT-CCD 結構包括感光區域和存儲區域兩部分。在曝光期間，光信號被轉換為電荷并存儲在感光單元中，然后通過垂直移位將光電二極管區域的電荷傳輸至存儲單元，以實現圖像的暫存和傳輸。

3. **Full Frame Transfer CCD（FFT-CCD）**：FFT-CCD 結構將整個圖像區域分為感光區域和存儲區域，整個圖像被同時轉換為電荷并存儲在感光區域中，然后通過垂直移位將電荷傳輸到存儲區域，最后轉移到讀取單元進行輸出。

4. **Backside Illumination CCD**：背照式 CCD 結構將感光區域置于傳感器的背面，光線可以直接通過襯底進入感光區域，提高了光量子效率，適合于對光線敏感度要求高的應用領域。

5. **Time Delay Integration CCD（TDI-CCD）**：TDI-CCD 結構在傳統 CCD 結構基礎上增加了多個存儲區域，允許電荷沿著傳感器的垂直方向累積，從而實現對運動場景進行高速掃描和捕捉。

這些不同結構類型的 CCD 傳感器在設計時根據不同的應用需求和性能要求進行選擇，以提高圖像質量、性能和適用范圍。

CCD傳感器因其高靈敏度、低噪聲和良好的色彩再現性而被廣泛應用于數碼相機、天文望遠鏡、醫學成像設備和科學儀器等領域。與CMOS傳感器相比，CCD傳感器通常具有更高的圖像質量和更低的功耗，但制造成本也較高。

審核編輯：黃飛