一(yī / yì ／yí)文告訴你如何權衡CCD圖像傳感器的(de)各類優缺點

全幀（Full-Frame）CCD

半導體區域既可以(yǐ)作爲(wéi / wèi)光電元件，也(yě)可以(yǐ)作爲(wéi / wèi)電荷轉移器件，這(zhè)有點違反直覺，但這(zhè)正是(shì) FF CCD 中發生的(de)事情。在(zài)集成過程中，像素位置響應入射光子(zǐ)積累電荷，在(zài)集成之(zhī)後，電荷包垂直地(dì / de)通過像素位置向水平移位寄存器移動。

一(yī / yì ／yí)般情況下，我們通過應用精心定時(shí)的(de)時(shí)鍾信号來(lái)獲得 CCD 像素數據，這(zhè)些時(shí)鍾信号依次在(zài)器件的(de)電荷傳輸結構中産生電位阱和(hé / huò)電位屏障。在(zài)全幀 CCD 中，我們需要(yào / yāo)能夠将這(zhè)些控制電壓應用到(dào)同樣起光電探測器作用的(de)區域，因此，栅極電極由透明多晶矽制成。

全幀 CCD 相對而(ér)言比較簡單且易于(yú)制造，并且它們允許整個(gè) CCD 表面具有光敏性。這(zhè)使矽的(de)給定區域中可以(yǐ)包含的(de)像素數量最大(dà)化，同時(shí)也(yě)使每個(gè)像素中實際上(shàng)能夠将光子(zǐ)轉換爲(wéi / wèi)電子(zǐ)的(de)部分最大(dà)化。

然而(ér)，一(yī / yì ／yí)個(gè)主要(yào / yāo)的(de)限制是(shì)需要(yào / yāo)一(yī / yì ／yí)個(gè)機械快門（或一(yī / yì ／yí)個(gè)同步的(de)、短時(shí)間的(de)光源稱爲(wéi / wèi)頻閃）。CCD 的(de)光激活區并不(bù)會因爲(wéi / wèi)你已經決定是(shì)時(shí)候執行讀出(chū)而(ér)停止光激活。如果沒有在(zài)曝光周期完成後阻擋入射光的(de)機械快門，則在(zài)（有意）集成期間生成的(de)電荷包将被讀出(chū)期間到(dào)達的(de)光損壞。

幀傳輸（Frame-Transfer）CCD

一(yī / yì ／yí)般來(lái)說(shuō)，我們更喜歡用電子(zǐ)方式控制曝光，快門（像任何其他(tā)快速移動的(de)高精度機械設備一(yī / yì ／yí)樣）使設計更加複雜，最終産品更加昂貴，整個(gè)系統更容易出(chū)現故障。在(zài)電池供電的(de)應用中，驅動物理物體所需的(de)額外能量也(yě)是(shì)不(bù)可取的(de)。

FT-CCD 允許我們保持 FF-CCD 的(de)一(yī / yì ／yí)些優點，同時(shí)（幾乎）不(bù)需要(yào / yāo)快門。這(zhè)是(shì)通過将 FF CCD 分成兩個(gè)大(dà)小相等的(de)部分來(lái)實現的(de)。其中一(yī / yì ／yí)個(gè)部分是(shì)普通的(de)光敏成像陣列，另一(yī / yì ／yí)個(gè)部分是(shì)屏蔽入射光的(de)存儲陣列。

在(zài)集成之(zhī)後，用于(yú)所有像素的(de)電荷包被快速地(dì / de)傳輸到(dào)存儲陣列，然後在(zài)存儲陣列中發生讀出(chū)。當讀取存儲位置時(shí)，活動像素可以(yǐ)爲(wéi / wèi)下一(yī / yì ／yí)圖像累積電荷，這(zhè)使得幀傳輸 CCD 能夠獲得比全幀 CCD 更高的(de)幀速率。

說(shuō) FT 架構幾乎消除了(le／liǎo)快門，因爲(wéi / wèi)無快門設計會遇到(dào)一(yī / yì ／yí)個(gè)稱爲(wéi / wèi)垂直塗抹的(de)問題。電荷包從活動像素到(dào)存儲位置的(de)傳輸很快，但不(bù)是(shì)瞬間發生的(de)，因此在(zài)垂直傳輸期間到(dào)達傳感器的(de)光可以(yǐ)改變圖像信息。

FT 架構的(de)主要(yào / yāo)缺點是(shì)成本較高，并且相對于(yú)圖像質量而(ér)言面積增大(dà)，因爲(wéi / wèi)基本上(shàng)是(shì)使用 FF 傳感器，然後将像素數減少兩倍。

線間傳輸（Interline-Transfer）CCD

我們需要(yào / yāo)的(de)最後一(yī / yì ／yí)個(gè)主要(yào / yāo)的(de)架構改進是(shì)将集成電荷快速轉移到(dào)存儲區域，從而(ér)将污迹降低到(dào)可以(yǐ)忽略的(de)程度。線間傳輸 CCD 通過提供與每個(gè)光活動位置相鄰的(de)存儲（和(hé / huò)傳輸）區域的(de)網絡來(lái)實現這(zhè)一(yī / yì ／yí)點。曝光完成後，傳感器中的(de)每個(gè)電荷包同時(shí)傳輸到(dào)非光敏垂直移位寄存器中。

因此，它的(de) CCD 能夠以(yǐ)最小的(de)拖影實現電子(zǐ)快門，并且像 FT-ccd 一(yī / yì ／yí)樣，它們可以(yǐ)在(zài)讀出(chū)期間集成，從而(ér)保持較高的(de)幀速率能力。然而(ér)，如果光生電荷在(zài)讀出(chū)過程中從光活性柱洩漏到(dào)相鄰的(de)垂直移位寄存器中，則可能發生一(yī / yì ／yí)些塗抹。如果應用程序不(bù)需要(yào / yāo)高幀速率，則可以(yǐ)通過延遲積分直到(dào)讀出(chū)完成來(lái)消除此問題。

線間 CCD 不(bù)需要(yào / yāo)幀傳輸 CCD 中使用的(de)大(dà)存儲部分，但它們引入了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)新的(de)缺點：傳感器成爲(wéi / wèi)将光子(zǐ)轉換爲(wéi / wèi)電子(zǐ)的(de)效率較低的(de)手段，因爲(wéi / wèi)每個(gè)像素位置現在(zài)都由光電二極管和(hé / huò)垂直移位寄存器的(de)一(yī / yì ／yí)部分組成。換言之(zhī)，部分像素對光不(bù)敏感，因此相對于(yú)落在(zài)像素區域上(shàng)的(de)光的(de)量産生較少的(de)電荷。這(zhè)種靈敏度的(de)損失通過在(zài)傳感器上(shàng)添加将入射光集中到(dào)每個(gè)像素的(de)光活動區域的(de)微小透鏡而(ér)大(dà)大(dà)減輕，但是(shì)這(zhè)些“微透鏡”有其自身的(de)一(yī / yì ／yí)系列困難。

結論

希望這(zhè)篇文章能幫助您理解在(zài)設計 CCD 圖像傳感器時(shí)所涉及的(de)權衡。全幀 CCD 可能看起來(lái)是(shì)最“原始”的(de)類型，但它們仍然是(shì)不(bù)需要(yào / yāo)高幀速率的(de)系統中的(de)首選，并且可以(yǐ)容忍閃光燈或機械快門的(de)使用。幀傳輸 CCD 和(hé / huò)線間傳輸 CCD 具有更多的(de)用途，在(zài)某些應用中具有關鍵的(de)優勢。