电荷耦合器件架构及工作原理

Posted 2023-04-06 纪客老白

电荷耦合器件
2009年10月6日，斯德哥尔摩---- 对于数码相机来说，这是一个历史性的时刻，它们的百叶窗打开了几分之一秒，捕捉到了委员会，将梦寐以求的诺贝尔奖授予发明电子眼的人。如果不是威拉德 · 博伊尔和乔治 · 史密斯这对搭档，那些照相机可能还会在光敏胶片上模糊光线，然后在黑暗的房间里用栏杆烘干。早在1969年，波义耳和史密斯就发明了电荷耦合器件并预测了它的应用，从而开辟了固态器件成像和存储应用的领域。

图1: 电荷耦合器件图像
虽然 Boyle 和 Smith 发明了将光转换成电信号的方法，但是如果不是 Albert Einstein 对光电效应的开创性解释，整个研究就不可能完成。爱因斯坦解释了材料如何能够吸收入射的辐射，并最终从表面电子爆炸出来。波义耳和史密斯研究了这种光的入射是如何引起电子扰动的，以及如何利用这种扰动。他们成功地做到了这一点，他们把一些电容器组合成一个阵列，这个阵列构成了数字图像的像素。
最初命名为充电气泡设备，该设备的操作作为移位寄存器和线性成像设备被记录。它基于类似于 bucket-brige Devices 的原理，电荷沿着半导体表面从一个电容器转移到另一个电容器。1970年，贝尔实验室成功建造了第一台固态摄像机。到1971年，迈克尔 · f · 汤姆塞特和贝尔实验室的其他研究人员成功地用线阵 CCD 拍摄了图像。此后，许多半导体专业如德州仪器、飞兆半导体、索尼等开始投资 CCD 技术。最早的商用 CCD 设备之一是由飞兆公司在1974年制造的，当时是一个100 x 100像素的设备，拥有大约500个 CCD 阵列。1976年，第一台基于 CCD 的间谍卫星 KH-11 KENNAN 卫星发射升空。到1983年，天文望远镜中的 ccd 也开始取代照相底片。像柯达这样的公司从1985年就开始生产基于 CCD 的专业相机，但是到了1995年，高性价比的高分辨率 CCD 相机开始充斥市场。
CCD 可以看作是电荷转移器件的一个子集。这些是基于金属氧化物半导体(MOS)电容器。CCD 采用了表面沟道和埋沟道 MOS 电容器两种类型，但由于这两种类型的电容器不存在氧化物-半导体界面表面不均匀的问题，因此主要采用埋沟道电容器制造。通过离子注入在 p 型衬底上形成一个薄的 n 型埋沟。二氧化硅绝缘层生长在 n 区的顶部，为了完成电容器，使用 CVD 工艺将金属栅或重掺杂多晶硅栅置于绝缘二氧化硅的顶部。为了将一个柱的电荷包与其他柱的电荷包隔离开来，将热生长的氧化物“通道止点”平行放置在通道上。

MOS 电容的图像
但是，如果一个 CCD 单元传递电荷，它只是任何其他 MOS 电容器。它对光线敏感的附加特性使得 CCD 独一无二。对光子的响应是通过生长在衬底上的掺杂硅的外延层。当光子入射到半导体表面时，它们移动电子，产生与光照射到半导体表面成正比的电荷。单个 CCD 单元具有以下四种功能:

1. 从数组中上方的单元格接收电荷。
2. 保留电力用一段时间，不要损失太多。
3. 将电荷以数组的形式传递给下面的单元格。
   元素及工作范围
   宣读这些指控是主要的挑战。针对所使用的时钟类型，采用了多种分组、两相、三相、四相等方案，以桶旅方式将电荷包单元传输到单元，同时保护每个分组的完整性。考虑到一个三相方案，将有3条控制导线通过每个小区，每条导线被连接到时钟的一个阶段。这些导线控制电势阱的高度，电势阱沿着导线推拉电荷包。对于三阶段方案，每个像素包含一个存储器和两个栅极。每个存储门连接到相同的相位，每个势垒门连接到它们各自的相位时钟。当第二栅极进入较高的电位且第一栅极进入较低的电位时，电荷包从一个区域移动到下一个区域。这种连续的电荷移动可以如下图所示。
   

图3: CCD 中电荷顺序运动的图形
试图使用 CCD 器件作为存储器件。但不久之后，其他技术取而代之，之后 CCD 设备主要用于扫描、显微镜和摄影。在平板扫描仪中使用了一维数组，每次扫描一行数据，然后读取数据。在整个页面上机械地移动数组来创建二维扫描图像。二维数组被用来一次性捕获整个场景，然后将电荷转移到输出。

图4: 一维数组的图像
架构
为了实现 CCD 阵列的读出，采用了三种结构:

图5: 全帧 CCD 结构示意图

1. 全帧读出: 整个 CCD 阵列作为一个积极的领域。这种装置采用机械快门机构阻止光线到达元件，以避免电荷沿垂直 ccd 平行传递，然后利用水平 ccd 连续移出时出现擦痕。这个过程相当耗时。
   

图6: 图形图像表示/图表示帧转移 CCD 结构
架构控制
2. 帧转移: 一半的相邻阵列区域用于曝光，另一半是不透明的。电荷在极短的时间内从有效区域转移到不透明区域，然后从那里读出。这个过程比全帧读出的速度更快，因为在从不透明区域读出电荷的过程中，活动区域可用于捕获新图像。它还具有电荷转移时减少涂污和光污染的优点。然而，这有一个缺点，使用双倍的硅面积。
3. 线间传输: 在这种类型的架构中，每个像素有一个活动区域和一个毗邻的不透明区域。电荷迅速地从光敏光电二极管转移到相邻的垂直 ccd 单元。这只使用一个转移周期来隐藏整个图像，从而允许非常高的模板速度和最小的模糊。这也有增加硅区的缺点，但是现代的进步已经尝试通过使用微透镜来改变光线从不透明区域的方向来提高阵列的量子效率。微透镜的使用增加了填充因子，约90% 的其他架构没有妥协的速度。
工作
CCD 器件的主要性能参数是速度、灵敏度、分辨率和成本。然而，架构的选择取决于设备的应用程序。虽然天文学要求最大限度地捕获光线，价格很少是一个约束，全帧读出的建筑 CCD 器件被使用。但是对于快门速度和成本最重要的傻瓜相机来说，线间结构是最受欢迎的。
CCD 阵列只对亮度敏感，对颜色不敏感。因此，为了获得一个彩色图像，使用了滤波器。彩色图像可以通过使用拜耳图案或3ccd 和分色镜来获得。

图8: 拜耳模式的再现图像
拜耳图案是放置在成像阵列上的一种特殊颜色网格。人类的眼睛对绿色最敏感，四分之二的网格有绿色滤镜。其余有蓝色和红色，组成的 RGB 颜色模式。数字信号处理器从相邻像素的值中插入两个缺失的颜色。拜耳模式，虽然简单和廉价，丢弃信息的影像分辨率的妥协。此外，当使用的地方突然变化的光强拜耳模式创建人工制品。一些相机也可能使用不同的颜色模式来生成颜色。利用微扫描技术可以在特定应用中提高分辨率。
二向色分光棱镜将图像分成红色、绿色和蓝色，然后分别入射到三个 ccd 器件上。这提供了比拜耳面具更高的量子效率，因为大部分光被传感器捕获，而不是被面具的中间层吸收。这些设备已经被用于专业的视频摄像机。
一个 CCD 设备，尽管所有的好的特点，它必须提供的确有一些缺点太多。电荷沿着一排许多像素耦合会导致相当大量的电荷损失，从而导致衰落。不正确的快门控制，或者过亮的条件导致太多的光子到达 CCD 元件，导致电荷泄漏到邻近的像素，从而导致晕花。

图9: 分色分束棱镜工作图示
此外，如果光子在电荷传输过程中由于不正确的时钟锁定而撞击传感器，就会发生以涂片形式的数据丢失。CCD 器件的灵敏度常常是工作温度的函数。随着温度的升高，泄漏暗电流也增加，从而降低了灵敏度。噪声是每个电子设备固有的，在基于 CCD 器件的情况下，由于光子噪声、暗噪声或读噪声或它们的组合，信噪比可能发生衰减。然而，在这一领域的深入研究工作已经取得了积极的成果和许多改进的变种的发展。像电子倍增 CCD (emccd)这样的器件，加入了片上倍增增益，有助于实现单光子探测的灵敏度，而不会影响 CCD 结构的分辨率或效率，同时降低成本。这些特点是其他典型的昂贵的电子轰击 CCD 采用图像增强器与 CCD 设备。
CCD 成像技术与 CMOS 成像技术
CCD 成像技术与 CMOS 成像技术之间存在着不可分割的竞争。电荷耦合器件(CCD)和 CMOS 成像器件(CMOS)同时发明，仅仅几年的时间。然而，由于当时可用的制造技术的优越结果，ccd 成为主导。CMOS 技术侧重于均匀性和较小的特征尺寸，这直到20世纪90年代才出现，当时的光刻技术已经足够先进，可以支持较小的特征尺寸。在此之后，CMOS 成像器卷土重来，从那时起，两种技术都在争夺市场主导地位。众所周知，CCD 传感器能够提供最好的图像质量，而 CMOS 成像器在芯片上提供了更多的功能和更吸引人的功能，比如更低的功耗，这使得它们在移动电话相机等领域更受欢迎。两者可以在各个方面进行比较，并根据应用程序的要求作出正确的决定。

由于手机和傻瓜相机中的 CMOS 传感器越来越受欢迎，市场上 CCD 的市场份额迅速下降，甚至像佳能和索尼这样主要使用 CCD 产品的行业中坚，现在也转向了 CMOS 成像器。预计到2014年，超过95% 的相机市场将转向 CMOS 传感器。但是仍然存在并将继续存在一个占主导地位的部分，这个部分将继续依赖于 CCD 传感器、科学研究和天文学家群体，最大的例子是哈勃空间望远镜天文台。所以，当 CCD 发出的光线从地球上消失的时候，我们仍然需要一个 CCD 来观察外面的世界。

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视音频技术作业一：比较CCD与CMOS摄像的区别

作业详解：

1. CCD与CMOS简介：

CCD: CCD是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。

CMOS:

1. CCD与CMOS的工作原理：

CCD摄像机工作方式：被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

 

CCD芯片尺寸：CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等，成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。画素多寡与尺寸大小没有绝对关系,大多数的直观想法认为 CCD 的画素越大，所需空间应该越多，相对的 CCD 的面积尺寸应该越大!对照目前的生产技术来说，这个观念是『对』也是『不对』。事实上，画素开口面积大小与线路布局精细度才是影响 CCD 尺寸的关键因素;也就是说，当制程技术越精密，线路所需占得的空间就越小，相对画素开口面积固定下，可以靠得更紧密，也就可以达到进一步缩小面积的目的。

此外，五百万画素的表现是否一定优于四百万画素，其实也不尽然，端看 CCD 的设计布局。5MP:1/1.8英吋 v.s. 4MP：1/1.8英吋，四百万画素的开口率或称为 Fill Factor (光填充率)就比 5MP 来得大，相对的感光能力上要比 5MP 来得强;不过，解像力上当然还是 5MP 画素的感光元件较优。

CCD Size 影响成本与设计,越来越多的 LCD 宽萤幕为了满足人类视觉比例，跳脱传统 4：3 的规格走向 16：9 /16：10 更宽广的界线。然而，大多数 DSC 消费型数位相机的 CCD 长宽比，依然沿袭 1950 年代电视规格标准刚制订时 4：3的标准(3：2主要仍为 DSLR 数位单眼机身所采用，另中片幅、专业数位机背享有1：1之正方形特殊规格)。主要是这方面设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。

 

CCD分辨率选择：评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其单位为线对，即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600，彩色为380-480，其数值越大成像越清晰。一般的监视场合，用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合，用600线的摄像机能得到更清晰的图像。

 

CCD成像灵敏度：通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度，黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯)，彩色摄像机多在1Lux以上。0.1Lux的摄像机用于普通的监视场合;在夜间使用或环境光线较弱时，推荐使用0.02Lux的摄像机。与近红外灯配合使用时，也必须使用低照度的摄像机。

 

　CCD器件由硅材料制成，对近红外比较敏感，光谱响应可延伸至1.0um左右。其响应峰值为绿光(550nm)，分布曲线如右图所示。夜间隐蔽监视时，可以用近红外灯照明，人眼看不清环境情况，在监视器上却可以清晰成像。由于CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以CCD对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。

 

COMS：　

CMOS传感器可以将所有逻辑和控制环都放在同一个硅芯片块上，可以使摄像机变得简单并易于携带，因此CMOS摄像机可以做得非常小。

CMOS摄像机尽管耗能同样或者高于CCD摄像机，但是CMOS传感器使用很少的圆环如CDS, TG和DSP环，所以同样尺寸的总能量消耗比CCD摄像机减少了1/2到1/4。监视器级别摄像机使用12伏特/65毫安电源，几乎和CMOS摄像机一样，但是具有好得多的影像质量，C系列摄像机使用0.35um3.3伏特数字讯号处理器，因此消耗非常少的能量(54C0,54C1,54C2,54C1,54C5,54C6)。所有其它公司生产的CCD摄像机的消耗12伏特/150到300毫安，因此比CMOS的5到12伏特和35到70毫安高出了2到4倍。

1. CCD与CMOS的优缺点比较：

                 CCD                               CMOS

设计                单一感光器                      感光器连接放大器

灵敏度             同样面积下高              感光开口小，灵敏度低

成本          线路品质影响程度高，成本高  CMOS整合集成，成本低

解析度        连接复杂度低，解析度高              低，新技术高

噪点比            单一放大，噪点低              百万放大，噪点高

功耗比            需外加电压，功耗高           直接放大，功耗低

 

1. CCD与CMOS的区别：

CCD 和 CMOS 的制造过程和电子半导体技术息息相关，不同于传统底片采用化学制程，CCD 感光原件是在晶圆上(Circular disk) 藉由加工技术"蚀刻"出来。90年代初期 CCD 规格较没有统一，因此呈现混乱的局面，特别是发展厂商希冀以不同的生产技术和切割方式创造最佳利润，以至于特殊规格出现导致例外的发展。市场优胜劣败的淘汰下，现今量产 CCD 的公司只剩下：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和SHARP，相关技术和规格几乎大部分已由日本厂商统一制订。

CCD称为“电荷耦合器件” ，CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。

CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。传感器被称为CMOS传感器只是为了区别于CCD传感器，与传感器处理影像的真正方法无关。

CMOS传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，因此就非常快。这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用，高帧速度能达到400到2000帧/秒。这个优点对于眺望高速移动的物体非常有用，然而由于没有高速的数字讯号处理器，所以市场上只有很少的高速摄像机并一般价格都非常高，每个单位00到300,000。敏通生产的75帧CCD摄像机已经比PAL TV标准的25帧/秒快了3倍，并且达到了CCD设备的物理极限

CMOS数码摄像机工作原理是这样：CMOS感光后生成一个电信号，再把电信号转化为数字信号，再通过独特的算法把数字信号还原为图像，这其中，影像的计算处理就成了一个极其关键的步骤。索尼为CMOS感光芯片专门开发了“增强型影像处理器”，它使用了一种全新的算法，能够很好地提升HDV影像的动态范围，平衡光暗度，表现影像的层次感。所谓“动态范围”是指一台摄像机在暗处拍摄物体时候的影像再现能力，这是考察数码摄像机成像质量的一个重要标准，高动态范围可以在暗处实现原始影像真实重现和同时有很好的细节表现力。“增强型影像处理器”把原始的影像信号分离成为“图像信号”和“亮度信号”，画面的明暗处被分别优化处理，更加逼真传神，高清晰的视频信号就这样实现了。

随着CMOS在制造工艺和影像处理技术上的不断突破，业内对CMOS的前景预测也越来越乐观。高清数字影像的普及更是CMOS技术发展的一个难得机遇。而且，与CCD相比，CMOS的制造原理更加简单，体积更小，功耗可以大大的降低，种种迹像表明：图像传感器的领域正面临着一个重大转折，尽管从目前的状况看，CMOS与CCD图像传感器的应用市场仍然有一个分界，但这个界限似乎越来越模糊。有专家预言，随着300万像素的CMOS图像传感器的上市，图像传感器即将进入“CMOS时代”。

　CMOS有这么多优点，过去没有在DV和DC产品大范围使用CMOS，是因为CMOS确实存在一些缺陷：由于CMOS的每个像素需要单独搭配一个“放大器”，这就会带来了两个问题：一方面，在每个像素中“放大器”都要占用一定面积，这部分面积不能感光，会直接损失图像;另一方面，要让每个“放大器”的放大效果保持均衡很困难，这也会增加噪点。

由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。

 主要在于工艺和制程，两种元件各有千秋。ccd成本较高但成像较好，特别是在以前，的确ccd就是在成像上优于cmos，但随着研发水平的不断进步，特别是佳能在cmos方面，利用其相对成本低、耗电低的优势，投入巨资解决cmos原有的缺点——成像差、噪声高，取得了突破性的进展，并在其高端专业全画幅机型上使用，这就是著名的1系列产品。目前两种元件的制造水平都随着时代发展不断进步，ccd方面除了普通型ccd还出现了以富士为代表的超级ccd以及适马采用的号称最接近于胶片成像原理的x3ccd均投入使用并获得好评，而cmos由于在高端机型上的成功使得一些厂商如尼康等也投入巨资进行研发并应用于最新机型，两种元件都在不断的发展完善之中。

 CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二极管组成的CCD，CMOS 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象。我们知道在佳能EOS系列AF相机上，CMOS一直在测光对焦系统中使用。佳能在这方面有雄厚的技术力量和丰富的经验。发展到今日已经比较容易地以较低的成本制造较大大尺寸的CMOS感光芯片，并且CMOS可以将影像处理电路集成在芯片上。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。D30有专门的回路控制暗电流，在长于1秒的曝光时降噪系统会自动工作，可以从很大程度上降低噪点的产生。