50年前发明的CCD图像传感器工作原理图解
时间：2022-08-14 01:00:01
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重磅干货，第一时间送达 本文转自|新机器视觉 1969年，沃勒德保尔(Willard Boyle)与乔治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)贝尔实验室在美国电报电话公司(AT&T Bell Labs)发明了电荷耦合组件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，两人记录了这个故事CCD贝尔系统技术期刊发明的技术文章提交(Bell System Technical Journal)。他们开发CCD其初衷是用它来构建内存装置。然而，在1970年保尔和史密斯的研究出版后，其他研究人员开始在其他方面尝试相关技术。天文学家发现CCD它具有比摄影电影高100倍的感光能力，因此可用于拍摄高分辨率的远程图像。
Teledyne e2v CCD47-20 背照13.3 μm 像素1024 x 1024传感器
CCD光子传感器灵敏度极高。一个CCD 它将被分割成大量的小光敏单元（我们常说的像素），以集成到目标图片中。当光子到达一个像素范围时，它将转换为一个（或多个）电子，收集到的电子数量将与每个像素接收的光强成正比。当CCD时钟输出时，每个像素内的电子数目便会被测量出来，以用于重建画面。
CCD阵列切面图
在集成级中，电荷通过电子云或电子斗收集到偏置电极。每个像素至少需要两个电极来控制电荷收集，但科学设备通常使用四个电极来优化峰值信号。
在这个区域，电荷将与正向施加电压一起收集。在具体工作中，电荷储存在埋地通道部分，以避免与表面接触，而通道阻挡层分离在每个通道的线路之间。上图显示单个CCD像素的结构。大量的像素组合起来，便构成一个成像设备，例如Teledyne e2v 的CCD290便有8100万像素。下图显示一个3x3.像素阵列。
带电极和通道行CCD阵列切面图
用于控制CCD内电子活动的电极或门由多晶硅(而不是金属)制成，其透明度可达400 nm左右波长的光通过。由于所有像素都是一致的，并通过同一端口读取，因此可以提供质量相同的图像。
读出
在大多数的CCD在每个像素中的电极配置后，电荷会沿着通道向下转移。因此，当CCD当时钟工作时，每个列将向下转移到最后一行（即读取记录器），然后将每个像素的电荷转移到CCD外部便于测量。读出记录器中的电极通过配置，电荷将在记录器中水平转移。
从采集到读取，电荷以每个电荷包的形式传输到输出放大器，电荷转换为电压。当读取工作进行时，电极在高压和低压之间交换偏置，以便电荷沿阵列向下转移。
下图显示了单个转移步骤的工作原理。在四相架构中，沿阵列传输像素到底部需要四次转移。
所有在相位图像范围内的电极都是相互连接的，因此将电荷传输到图像范围底部的读取记录器只需4小时。每次只有一行电荷转移到读取记录器。然后读取记录器将每次以相同的时钟向输出节点读取一个像素，并将电荷转换为电压。下图显示了一个4x四像素三相位器件的工作原理：
电荷转移原理
由于整个阵列通过单个放大器阅读，输出可以高度优化，噪声可以尽可能降低，动态范围很高。CCD可以提供100dB 的动态范围以及小于2e的噪声。
一部CCD相机或仪器一般包含一个CCD用于放大芯片及相关电子设备CCD小电压，去除噪音，数字像素值，并将每个像素值输出到外部，如处理器。CCD它是一个模拟器件，模拟电压值将从相机的电子元件转换为数字格式。
读出记录器
Teledyne成像传感器的功能涵盖了从x光到超长波红外的光谱范围
硬x光/软x光/真空紫外线/紫外线/可见光/短波红外线/中波红外线/长波红外线/超长波红外线
硅/InAs/GaSb (T2SL)/HgCdTe (MCT)/去基板HgCdTe (MCT)/InSb/InGaAs/锗(GE)/InAs/PbS/PbSe/SiAs/VOx
Teledyne e2v复合半导体材料可根据应用成像工程元素周期表上提供，并根据应用需要提供适当的技术解决方案。其各种图像传感器技术包括CCD、CMOS，到混合红外ROIC数组、微测辐射热计等技术。
主要CCD参数
量子效率
CCD可测光子百分比称为量子效率(Quantum Effciency，QE)。人类肉眼的QE大约20%是摄影电影QE大约10%。而现代的CCD90%以上可以实现QE。由于波长，量子效率会有所不同，如背薄(backthinning)、 背照 (back-illumination)、反眩光涂层和高阻硅可以创新CCD量子效率涵盖各种波长。
波长范围
CCD波长范围可为0.1nm (软X光) 到 400 nm (蓝色可见光)甚至达到1万 nm (近红外线)，尖峰灵敏度可达700 nm左右。背照可以实现较短的x光和紫外线波长检测，而低噪声和高阻硅技术有助于提高对较长近红外波长的敏感性。
动态范围
测量器正确读取相同图像的亮度和模糊来源是一个非常有用的特征。测量器准确地读取图像中最亮和最模糊来源之间的区别称为动态范围。
当光线来到CCD光子会转化为电子。CCD动态范围一般以可成像的最小和最大电子数量为测量单位。CCD光线越多，在电位井上(p-井内收集的电子数量越多。当电位井不能接收更多电子时，就意味着像素饱和。典型的科学应用CCD，这种情况发生在1.5万个电子时。
可测量的最小信号单元不一定是电子(相当于可见波长的光子)。具体来说，最小电子噪声一般与CCD与实体结构相关，每像素至少有2至4个电子。因此，可测量的最小信号是由读出噪声决定的。单电子或电子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，EMCCD) 它们都是用于高灵敏度测量的超低噪声传感器，可以测量几个光子或电子信号。
线性度
测量器的另一个重要考虑因素是对其所看到的任何图像的线性响应。CCD如果测量100个光子，它将转换为100个电子(假设QE100%)。在这种情况下，测量器有线性响应。线性响应的用途是测量图像上不同主体的真实密度，而不需要额外处理图像。
噪声
CCD噪声表现取决于多种因素。
暗电流
暗电流是温度产生的噪声。CCD噪声性能可以是每个像素每秒数千个电子。在这种情况下，每个像素都有机会在几秒钟内达到满井容量，使每个像素在几秒钟内达到满井容量CCD饱和。
可使用珀耳帖冷凝器等(Peltier cooler)甚至是致冷器(cryo-cooler)为了解决暗电流问题，系统等。° C温度下， CCD噪声性能可以降低到每秒几十个电子像素。
读出噪声
每个像素中的电子读出噪声CCD输出节点转换为电压工作。噪声的范围取决于输出节点的大小。CCD在阅读噪声方面取得了一些技术进步，这项工作将继续成为现在和未来CCD发展的重要组成部分。
阅读噪声会影响动态范围，因此必须尽可能减少，这对于小能量检测的应用至关重要。欧洲航天局(ESA)的 XMM-在牛顿太空卫星中检测x光能量的光子就是一个例子。
功耗
CCD它需要很小的功耗。主要功耗来自操作CCD和处理图像所需的电子器件。
End
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