CCD是Charge Coup le Device的缩写,顾名思义是指具有电荷传递功能的器件,其原理如图6.1所示。电容阵列中每个电容的一个电极都相连并接地,它们的另外一个电极则相互独立。该结构可进行简化,将公共连接的电极替换为一个电极。如果在电极1上加一个正电压,在公共电极中与电极1对应的位置就会聚集负电荷,然后电极1电压归零;在电极2上加一个正电压,此时存储在公共电极中的负电荷就会从与电极1对应的位置移动到与电极2对应的位置。通过这种依次在独立电极上加正电压的方式,实现了公共电极上的电荷传递。
一个典型四相CCD的工作原理如图6.2(a)所示,它有4个控制信号。P型硅衬底作为CCD的公共电极。N型硅作为沟道可提供大量自由电子,多晶硅作为转移电极,它们之间通过二氧化硅绝缘薄膜隔开,这样就形成了电容阵列。这些转移电极被分成循环排列的四组,并分别与Φ1、Φ2、Φ3和Φ4四个时钟控制信号连接,这四个控制信号的时序图如图6.2(b)所示。
在时间t1-1,在电极1和电极2上施加正电压,它们对应的沟道电势增高,聚集负电荷。注意图6.2(a)中沟道电势坐标轴是向下的,意思是电势下高上低。在时间t1-2,在电极3上施加正电压,负电荷均匀地分布在三个电极对应的沟道中。在时间t1-3,电极1上的正电压消失,其对应的沟道处不再存储负电荷,此时负电荷分布在电极2和电极3的沟道中。时间t1-3与t1-1相比,负电荷转移了一个电极位。重复上述过程,直到负电荷被转移到指定的电极位置。四相CCD每个时刻至少有两个电极存储电荷,意味着它能够传递更多的光生电子,因此四相CCD图像传感器能够承受更大的光强,具有高动态范围的特征,但是完成一个完整周期的电荷传递需要从t1-1到t2-1的八个时钟长度,因此四相CCD不适合高速电荷传输的应用。
图6.2 四相CCD的工作原理和控制信号
两相CCD的示意图如图6.3(a)所示,适合高速电荷传输的应用。相邻的一对电极的沟道具有不同的掺杂浓度,用N和N-表示。在沟道交界处,电子会从高浓度沟道向低浓度沟道扩散,这导致高浓度沟道的电势高于低浓度沟道,从而存在一个内在的电势差。高浓度沟道的电极叫存储电极,低浓度沟道的电极叫势垒电极。成对的两个电极施加相同的时钟控制信号,从而保持它们沟道之间的电势差。
两相CCD有两个时钟控制信号,其时序图如图6.3(b)所示,它们是互补的。在t1-1时刻,电极1、4、5是高电压,电极2、3是低电压,此时电荷存储在电极1、5沟道中。在t1-2时刻,电极1、4、5变成低电压,电极2、3是高电压,电极1的沟道电势降低,而电极2的沟道电势抬高并且高过电极1,此时存储在电极1沟道中的负电荷便流经电极2沟道,存储到了电极3的沟道中。两相CCD电荷只经过一个时钟脉冲就传递了一个电极,一个完整的电荷传输周期需要两个时钟脉冲信号。因此,两相CCD适合高速电荷传输应用,但不适合大电荷量的传输,因为它只用一个电极存储电荷。(www.xing528.com)
CCD图像传感器有三种:帧转移CCD(FT-CCD)、行间转移CCD(IT-CCD)和帧行间转移CCD(FIT-CCD),其中广泛使用的是行间转移CCD,下面我们以一个3×3的像素阵列来讲解行间转移CCD的工作原理,其结构如图6.4所示。每个像素都是由光电二极管、传输电极和VCCD(纵向CCD)组成,光电二极管接收光信号并将其转变成信号电荷,传输电极起到读取信号电荷的作用。
VCCD把每个像素读取的信号电荷传递给HCCD(横向CCD),HCCD将每个VCCD传递的信号电荷依次传递给输出放大器。输出放大器将电流信号转变成电压信号,可通过一个简单的源极跟随器实现,然后再经过模拟-数字转换器(ADC)变成数字信号,便生成了数字图像信息。因为每个像素读取电荷的速度不高,VCCD通常采用四相CCD;而HCCD需要传输所有VCCD传递的电荷,对速度要求很高,所以通常采用两相CCD。此外,除了光电二极管区域,其他部分都需要用金属层覆盖,避免光照对电路工作造成不良影响。
图6.3 两相CCD的工作原理和控制信号
图6.4 3×3像素阵列行间转移CCD工作原理示意图
为了更清晰地说明每个像素的信号电荷是如何被传递的,3×3像素阵列行间转移CCD电荷读取顺序示意图如图6.5所示,其中阴影方块表示电荷。图6.5(a)是光电二极管曝光结束时的情况,光电二极管中存储了含有光信息的信号电荷。图6.5(b)是将所有像素里的信号电荷同时读出到VCCD。图6.5(c)是将VCCD底部的一行电荷传递到HCCD上,然后依次被HCCD传递给输出放大器,生成电压信号S11、S12和S13。输出完一条线路信号后,VCCD中的下一行电荷转移到HCCD上,参见图6.5(f)。类似地,通过这种方式读出每个像素内的信号电荷。读出所有像素内的信号电荷后,继续开始读取下一帧图像的信号电荷。
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