CCD圖像傳感器的電路構成及特性

CCD圖像傳感器是通過將光學信號轉換為數字電信號來實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。光學信號轉化為數字信號主要由三部分組成，即鏡片，彩色濾鏡和感應電路。鏡片和彩色濾鏡主要是對接受的光線（即圖像）進行一定的預處理，感應電路為CCD傳感器的核心，它又可分為光敏元件陣列和電荷轉移器件兩部分。

下面我們介紹一下感應電路的構成，CCD的感應電路是由若干個電荷耦合單元組成，該單元的結構如圖所示。其最小單元是在P型（或N型））硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO2作為光敏器件，再在SiO2層上依次沉積鉬電極而構成MOS的電容式轉移器。將MOS陣列加上輸入、輸出端，便構成了CCD的感應電路。

當光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導體體內產生電子-空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。當向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區（勢阱），耗盡區的深度隨正偏壓升高而加大。

其中的少數載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區域內，形成電荷包（勢阱）電荷轉移的控制方法，類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉移的過程。

CCD（Charge-Coupled Device）傳感器具有以下主要特性：

1. 高圖像質量：CCD 傳感器具有較高的靈敏度、動態范圍和信噪比，能夠捕捉細節豐富、清晰度高的圖像，適用于要求高畫質的應用場景。

2. 低噪聲：CCD 傳感器在成像過程中噪聲較少，尤其在低光條件下表現更佳，有利于拍攝清晰、干凈的圖像。

3. 較高的光量子效率：CCD 傳感器對光的利用效率較高，能夠更有效地轉換光信號為電信號，提高圖像質量和信噪比。

4. 線性響應：CCD 傳感器具有較好的線性響應特性，能夠準確地將光信號轉換為電信號，保持圖像的準確性和真實感。

5. 較高的動態范圍：CCD 傳感器能夠捕捉較寬的動態范圍，能夠同時保留圖像中亮部和暗部的細節，避免過曝和欠曝現象。

6. 低功耗：相比于 CMOS 傳感器，在一些應用場合下，CCD 傳感器可以具備較低的功耗，有利于延長設備的續航時間。

7. 穩定性：CCD 傳感器通常在溫度變化下的性能變化較小，具有較好的穩定性，適用于一些對環境要求苛刻的應用場景。

CCD（Charge-Coupled Device）和 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是兩種常見的圖像傳感器技術，它們在工作原理、性能特點以及應用領域上有一些重要的區別：

1. 工作原理：

- CCD：CCD 傳感器通過電荷耦合設備來轉換光信號為電信號。在 CCD 中，光信號被聚焦在感光單元上，光子被轉換為電荷并在傳感器的行和列上移動進行讀取。

- CMOS：CMOS 傳感器每個像素都有自己的放大器和信號轉換器，能夠直接將光信號轉換為電信號。CMOS 傳感器的每個像素可獨立工作，整體上更加靈活和高效。

2. 性能特點：

- CCD：CCD 在低光條件下表現更好，具有較高的靈敏度和動態范圍，適合拍攝靜態圖像或需要高質量圖像的應用。

- CMOS：CMOS 在功耗、速度和集成度等方面較優，適合實時圖像處理、高速拍攝和視頻錄制等應用。

3. 成本和復雜度：

- CCD：由于制造工藝復雜，CCD 成本較高，逐漸被 CMOS 技術取代。

- CMOS：CMOS 生產工藝相對簡單，可實現大規模集成，降低成本，并廣泛應用于手機攝像頭、數字相機等設備中。

4. 適用領域：

- CCD：適用于需要高質量圖像、低噪音和低光條件下拍攝的應用，如科學攝影、天文攝影等。

- CMOS：適用于需要高速、低功耗、實時圖像處理的應用，如智能手機攝像頭、監控攝像頭等。

CCD 和 CMOS 在圖像傳感器領域各有優勢和劣勢，選擇哪種技術取決于應用需求和性能要求。隨著技術的發展，CMOS 在市場上的應用越來越廣泛，逐漸取代了一部分 CCD 應用。

隨著技術的發展，CMOS 傳感器在一些方面已經逐漸趕上甚至超越了 CCD 傳感器，因此在選擇時需要綜合考慮應用需求和性能特點。

審核編輯：黃飛