[科普中国]-CCD 摄影机

概述

人们通常称CCD摄影机为数字摄影机。在科学意义上讲，CCD摄影机是以电荷耦合器件(Charge Coupled Device缩写为CCD)为核心部件的数字传感器。电荷耦合器件是由时钟脉冲电位来产生和控制半导体势阱的变化，以实现存储和传递电荷信息的固态电子器件。实际上这是一种用电荷量来表示不同状态的动态移位寄存器。CCD利用用硅集成电路的工艺操作，器件体积小，耗电省，具有扫描功能。它适用于成像敏感器、存储器和电信号处理器。用它制作的遥感器中没有传统的光一机扫描装置。硅CCD成像敏感器能对可见光和近红外辐射(波谱0．4～1．1微米)响应，是重要的探测器。因此，CCD摄影机已经成为航天和航空遥感的先进的传感器。法国的“斯波特”遥感卫星利用硅CCD线列成像器，从太空中得到了目前最好的遥感图像，表明了CCD摄影机广阔的应用前景。1

CCD的结构及工作原理结构CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS(金属一氧化物一半导体)电容器，是由MOS电容构成像素实现功能的。它以P型(或N型)半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约120nm的，再在表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。

工作原理构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其他电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，P型硅中的多数载流子(空穴)受到排斥，半导体内的少数载流子(电子)吸引到P—Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子一空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被排斥出耗尽区。并且在一定的条件下，所加正电压越大，耗尽层就越深，Si表面吸收少数载流子表面势(半导体表面对于衬底的电势差)也越大，这时势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。

CCD的信号是电荷，那么信号电荷是怎样产生的呢?CCD的信号电荷产生有两种方式：光信号注入和电信号注入。CCD用作固态图像传感器时，接收的是光信号，即光信号注入。图a所示是背面光注入方法，如果用透明电极也可用正面光注入方法。当CCD器件受光照射时，在栅极附近的半导体内产生电子一空穴对，其多数载流子(空穴)被排斥进入衬底，而少数载流子(电子)则被收集在势阱中，形成信号电荷，并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强，从而可以反映图像的明暗程度，实现光信号与电信号之间的转换。所谓电信号注入，就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换成信号电荷。图b所示是用输入二极管进行电注入，该二极管是在输入栅衬底上扩散形成的。当输入栅IG加上宽度为△t的正脉冲时，输入二极管PN结的少数载流子通过输入栅下的沟道注入电极下的势阱中，注入电荷量。

CCD最基本的结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面涂覆一层氧化层，并在其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求。下面以三相(也有二相和四相)时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向转移的过程。把MOS光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控制电压、、。

当时，相处于高电平，、相处于低电平，在电极1、4下面出现势阱，存储了电荷。在时，相也处于高电平，电极2、5下面出现势阱。由于相邻电极之问的间隙很小，电极1、2及4、5下面的势阱互相耦合，使电极1、4下的电荷向电极2、5下面势阱转移。随着电压下降，电极1、4下的势阱相应变浅。在时，有更多的电荷转移到电极2、5下势阱内。在时，只有处于高电平，信号电荷全部转移到电极2、5下面的势阱内。随着控制脉冲的变化，信号电荷便从CCD的一端转移到终端，实现了电荷的耦合与转移。2

CCD固态图像传感器电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。

CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称“像素”。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送，经输出放大器输出。

根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。

线型CCD图像传感器线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏译元和一列CCD移位寄存器构成的，光敏单元与移位寄存器之问有一个转移控制栅。转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时问。在光积分周期里，各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅开启时，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元。当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。

图中所示为CCD的双行结构图。光敏元中的信号电荷分别转移到上下方的移位寄存器中，然后在时钟脉冲的作用下向终端移动，在输出端交替合并输出。这种结构与长度相同的单行结构相比较，可以获得高出两倍的分辨率；同时由于转移次数减少一半，使CCD电荷转移损失大为减少；双行结构在获得相同效果情况下，又可缩短器件尺寸。由于这些优点，双行结构已发展成为线型CCD图像传感器的主要结构形式。

线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。

线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。

面型CCD图像传感器按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面型CCD图像传感器。

面型CCD图像传感器有三种基本类型：线转移型、帧转移型和隔离转移型。

它由行扫描发生器、感光区和输出寄存器等组成。行扫描发生器将光敏元件内的信息转移到水平(行)方向上，驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移，并移入输出寄存器，输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。这种转移方式具有有效光敏面积大、转移速度快、转移效率高等特点，但电路比较复杂．易引起图像模糊。

图中所示为帧转移面型CCD的结构图。它由光敏元面阵(感光区)、存储器面阵和输出移位寄存器三部分构成。图像成像到光敏元面阵，当光敏元的某一相电极加有适当的偏压时，光生电荷将收集到这些光敏元的势阱里，光学图像变成电荷包图像。当光积分周期结束时，信号电荷迅速转移到存储器面阵，经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储器面阵移出后，就开始下一帧信号的形成。这种面型CCD的特点是结构简单，光敏单元密度高，但增加了存储区。

它将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。在光积分期问，光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里；当光积分时问结束，转移栅的电位由低变高，信号电荷进入垂直转移寄存器中。随后，一次一行地移动到输出移位寄存器中，然后移位到输出器件，在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。这种结构的感光单元面积减小，图像清晰，但单元设计复杂。

面型CCD图像传感器主要用于摄像机及测试技术。