电荷读出技术：CCD

电荷耦合装置（CCD）是一个基于电荷的设备。像素中读出电荷值的唯一方式就是从传感元件的行列中转移出像素中的电荷。

CCD在势阱中产生电荷,把电压应用到MOS电容结构的门上面就产生了这种势阱。图5.9说明了这个概念。为了正常工作,应该合理地安排CCD像素上的电压幅度和时序。由于CCD高度优化结构,使得其余的电路不能在相同的芯片上被集成,因而CCD需要另外的芯片分别进行控制和读出。

图5.9 CCD的工作原理。门电压顺序地控制电荷从一个势阱转移到下一个势阱

CCD读出的第一步就是把电荷从阵列中转移到边缘。这里有三种图像传感器结构：行间转移、帧转移以及全转移,如图5.10所示。

图5.10 行间转移、帧转移、全帧CCD结构

a）行间转移 b）帧转移 c）全帧CCD结构(www.xing528.com)

在行间转移CCD中,阵列中的一行电荷被同时移到底端的水平电荷转移行,然后串行移出。如果读出速度相对较慢或是有高强度的输入光,图像就会变得模糊不清,因为图像读出时电荷仍在收集。

帧转移CCD中,曝光时,光电电荷在电荷收集单元中积累（见图5.10b中的白色部分）。读出时,电荷被传送到电荷转移势阱（见图5.10b中灰色部分）。其余过程类似于行间转移CCD。电荷转移阱被不透明层覆盖以避免光照。

自然地,帧转移CCD的填充因素就是全帧转移CCD的一半。全帧CCD中,整个阵列转移到帧存储阵列,大小就和图像阵列一样。帧存储阵列的读出又类似于行间转移CCD。全帧CCD的主要优点是图像阵列中的填充因素没有减少。同时也证明,这是从图像阵列中移出速度相对快的图像转移方式,而且不会出现行间转移CCD情况下的图像模糊不清。

CCD读出的下一步就是电荷转为电压,然后发送到片外进行A-D转换。实现这个过程的电路如图5.11所示。在这个电路中,水平转移器将势阱转移来的电荷发送到传感节点,此节点与晶体管的门连接。门上的最终电压由源跟随电路缓冲后发送到片外。

图5.11 CCD读出电路

采用此类技术,每帧的整个读出时间基本上都是相同的。由于电荷的读出方式只能是在水平或垂直方向上从一个单元转移到下一个单元,因此不可能随机访问某一像素或者图像中的某一区域。