CCD传感器的工作原理是什么？详细介绍

CCD是贝尔实验室W.S. Boyle和G.E.Smith于1970年发明，由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，且集成度高，功耗低，因此得到飞速发展。CCD是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件，广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。CCD系统主要包括光学系统(微镜头)，CCD及图像处理模块，部分还包括滤色片。比喻：CCD就像人的视网膜，镜头相当于人的眼球，图像(信号)处理器相当于大脑。

CCD图像传感器是一种新型半导体器件一电荷祸合器件，是一种MOS集成电路。它作为一种新型的光电转换型传感器，不但具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性，也是其他摄像器件无法比拟的。目前，CCD图像传感器不论在文件复印、传真、零件尺寸的自动测量和文字识别、交通监控等民用领域，还是在空间遥感遥测、水下扫描摄像、图像跟踪制导等军事系统中都发挥着重要作用。近年来又向图像识别和在线精密检测方面发展。

一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD(电荷祸合器件)是一种MOS集成器件，是美国贝尔实验室的W.S. Boyle和G.E. Smith在1970年3月的电气电子工程师协会(TEEE)国际会议上首次发表的。它的基本功能是电荷的转移和电荷的存储。CCD技术不仅可以制造大容量存储器，还可以使模拟延迟和摄像技术纳入半导体电子轨道。所以，CCD一经问世就引起了世界各国的重视。首先应用在摄像、模拟延迟和大容量存储等三大技术领域。

00001. CCD工作的基本原理

CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS电容器组成的阵列，在P型或N型硅衬底上生长一层很薄(约120nm)的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极(栅极)，形成规则的MOS电容器阵列就构成了CCD芯片。

CCD工作过程有四个，原理示意图如下图。

(1)信号电荷产生;

(2)信号电荷存储;

(3)信号电荷传输;

(4)信号电荷检测与输出。

(1)信号电荷产生

CCD工作过程第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，原理是半导体内光电效应(光生伏特效应)。MOS(金属-氧化物-半导体)电容器是构成CCD的最基本单元。

(2) 信号电荷的存储

CCD工作过程第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。

(3)CCD电荷传输(耦合)

CCD工作过程第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。

如下图所示为三相CCD中电荷的转移过程。

(4)信号电荷检测与输出

CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。输出类型主要有以下三种：电流输出、浮置栅放大器输出和浮置扩散放大器输出。

CCD传感器类型

(1)线阵CCD

线阵CCD：用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。

(2)面阵CCD

面阵CCD的结构一般有3种。第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。第二种是行间转移性CCD。它是CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。第三种是帧行间转移性CCD。它是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。

(3)三线传感器CCD

三线传感器CCD：在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。

交织传输CCD：这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。

(4)全幅面CCD

全幅面CCD：此种CCD具有更多电量处理能力,更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行,直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。

目前广泛应用的CCD传感器主要有两大类，即线阵CCD传感器和面阵CCD传感器。