CCD器件新技術(shù)

1、第三章CCD器件新技術(shù) CCD(ChargeCoupledDevice)電荷耦合器件自美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功以來，隨著半 導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，其自身技術(shù)日臻成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。CCD目前已廣 泛應(yīng)用于攝像、攝影、信息處理和存儲(chǔ)等方面，而主要用途是用來做圖像傳感器(見圖 3- 1),在 CC 勰像機(jī)、數(shù)字相機(jī)和掃描儀等現(xiàn)代影像產(chǎn)品中大顯身手。其中在攝像機(jī)中的成功應(yīng)用，是 CCD術(shù)打響的第一炮，CC 皿此一鳴驚人，聲譽(yù)遠(yuǎn)播。 CCDg像機(jī)具有以往攝像管攝像機(jī)所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、堅(jiān)固耐用、 功耗低、無磁場干擾、無重合誤差。此外，CCD 攝像機(jī)圖像重現(xiàn)好，全區(qū)域無幾何失真，

2、 并且不會(huì)發(fā)生灼傷、彗尾和圖像殘留現(xiàn)象。 圖3-1CCD圖像傳感器 3-1CCD 器件的工作原理 CCD攝像元件和攝像管的工作原理一樣，是利用某種水電效應(yīng)，首先將入射光轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的光電荷，并把光電荷暫時(shí)存儲(chǔ)在像素的微小靜電容上，然后通過固體掃描方式將信號(hào)讀出。CCD 攝像元件具備光電變換、光電荷存儲(chǔ)和固體掃描三個(gè)基本功能。其中比較特殊的是固體掃描方式。它和攝像管的掃描方式不同，是利用電子的轉(zhuǎn)換、移位來完成掃描過程的。在 CC勰像元件的硅基片上鑲嵌排列著許多各自獨(dú)立的像素，通過在電路上施加掃描脈沖將存儲(chǔ)在像素上的光電荷按順序讀出。 CCD的結(jié)構(gòu)就像一排排輸送帶上并列放置的小桶，光線就像雨滴撤入各

3、個(gè)小桶中，每個(gè)小桶代表一個(gè)像素?？扉T開啟到關(guān)閉的拍攝過程，其實(shí)就是按一定的順序測量某一短暫 的時(shí)間內(nèi)，小桶中落進(jìn)了多少“光滴”，并形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件（參見圖 3-2）。一般的 CCD 每原色的亮度用 8 位數(shù)據(jù)來記錄，即其小桶上的刻度有 28 格，也有的是 10 位甚至 12 位， 更高的色彩位數(shù)在記錄色彩時(shí)可以更精確，尤其是在光線條件比較差時(shí)，能夠記錄下豐富的暗部細(xì)節(jié)層次。 圖3-2CCD的結(jié)構(gòu)原理示意圖 早期的 CCD隔行掃描的。同一時(shí)刻，每兩行小桶只有一行被測量，這樣可以提高快 門速度，但圖像精度大為降低。隨著技術(shù)的進(jìn)步，新的 CCD-般都是逐行掃描的，人們已 能讓 CC 慚計(jì)出，在幾十

4、分之一秒甚至幾千分之一秒的時(shí)間里落進(jìn)各個(gè)“小桶”的“光滴” 量。以數(shù)字?jǐn)z像機(jī)為例，在 CCD收板上縱橫排列集成有幾十萬個(gè)、幾百萬個(gè)甚至上千萬個(gè)光電二極管及譯碼尋址電路。通過 CC湍件，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)將鏡頭傳來的光線轉(zhuǎn)換成電信 號(hào)，再經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到存儲(chǔ)單元保存起來。當(dāng)光線經(jīng)鏡頭匯聚成像照在 CCD 上時(shí)，每個(gè)光電二極管會(huì)因受到的光強(qiáng)的不同而耦合出不同數(shù)量的電荷。通過譯碼電路可取到每一個(gè)光電二極管上耦合出的電荷而形成電流，該電流經(jīng) A/D變換即形成一個(gè)二進(jìn)制 數(shù)字量，該數(shù)字即對應(yīng)一個(gè)像素，實(shí)際中二極管數(shù)量通常大于圖像像素?cái)?shù)量，兆數(shù)字量像素的集合，即構(gòu)成了數(shù)字圖像。接下來就是如何進(jìn)一步處理

5、、保存這些數(shù)字。CCD 的像素 數(shù)和面積是決定畫質(zhì)的重要因素。像素?cái)?shù)越多、面積越大，圖像質(zhì)量越高。此外，CCD的 像素形狀對畫質(zhì)也有影響。早期的電視攝像機(jī)所用的是豎長型畫面 CCD 由于電腦的畫面 是由正方型的像素構(gòu)成的，從 CCDt接輸入到電腦的圖像會(huì)變成寬型。為了正確表現(xiàn)圖像， 需要經(jīng)過軟件進(jìn)行一定比例的修正，這樣一來圖像會(huì)有一定程度的失真。因此，目前數(shù)字?jǐn)z像機(jī)所用的是專門設(shè)計(jì)的正方像素 CCD 為了更準(zhǔn)確地了解 CCM 工作原理，下面以三相 CCDF口二相 CCM例進(jìn)一步加以說明。 電荷耦合器件 CCD（Charge-CoupledDevice）是在 MO 潞件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型

6、器件，最突出的特點(diǎn)在于它是以電荷作為信號(hào)，而其它大多數(shù)器件則是以電流或者電壓作為信號(hào)。它的基本功能是電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移，因此 CCM 作過程中的中心問題是信號(hào) 電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和輸出。 3-1-1CCD 的基本結(jié)構(gòu) CCD電荷耦合器件是由一行緊密排列在硅襯底上的許多個(gè) MOSfe 容器構(gòu)成的。截面圖 如圖 33 所示。其中123 為轉(zhuǎn)移電極，當(dāng)123 加正偏壓時(shí)，P 型硅襯底中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥而離開 Si-Si02 界面，形成耗盡層（也稱勢阱），圖中的陰影區(qū)所示。當(dāng)出現(xiàn)耗盡層時(shí)，表面電位比熱平衡時(shí)高，對電子來講勢能較低，偏壓越高， 會(huì)使耗盡層向 P 型硅襯底擴(kuò)展越深。圖 33

7、 中，3蟲 21，所以勢阱為階梯狀，3 下的勢阱最深。 若這時(shí)由于熱激發(fā)而產(chǎn)生電子一空穴對， 則空穴將流入襯底， 電子則聚集到勢能最低的勢阱里。因此，當(dāng)用這些勢阱來存儲(chǔ)信號(hào)電荷時(shí)，應(yīng)在熱激發(fā)產(chǎn)生的電子來不及聚集的時(shí)候?qū)⑵溥M(jìn)行轉(zhuǎn)移。 3-1-2CCD 的基本工作原理 一、信號(hào)電荷的注入 CCD中的信號(hào)電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。 1 .電注入 CCD以電荷為信號(hào)的器件，所謂電注入就是 CCD!過輸入結(jié)構(gòu)對信號(hào)電壓或電流進(jìn) 行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。 電注入的方法較多，這里僅介紹其中的動(dòng)態(tài)電流注入法。如圖 34 所示，輸入控制 極 IG加正的直流電壓以保持開啟并作為基準(zhǔn)電

8、壓。模擬信號(hào) Vin 加在輸入擴(kuò)散極 ID上， 當(dāng)1 為高電平時(shí)，與 IG鄰接的1 電極好象 MOSf 的“漏極”，ID好象是 MOSf的“源極”，于是有電流自ID流至1 電極，并以電荷形式注入1 電極下的勢阱里。注入的電荷量與采樣時(shí)間成正比。 2 .光注入 光注入實(shí)際上就是 CCD各光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的過程，即光電變換。它是利用半導(dǎo)體光照產(chǎn)生載流子的過程來實(shí)現(xiàn)的。由于 CC陳用的電極結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)都具有一定的透光性, 所以，投射到 CCDk面的光線有一部分能夠到達(dá)襯底材料的表面層。當(dāng)光照射在半導(dǎo)體上時(shí)，電子吸收光能并從一個(gè)能態(tài)躍遷到另一個(gè)較高能態(tài)，產(chǎn)生電子一一空穴對。這時(shí)空穴將流向襯底，電子被

9、勢阱收集，作為信號(hào)電荷。信號(hào)電荷收集的多少，取決于該點(diǎn)的光照強(qiáng)度。 、電荷的轉(zhuǎn)移 (C)t=t3 圖35CCD器件中的存儲(chǔ)電荷移位過程123 (a)t=ti 土占，4L吉上 圖3-4動(dòng)態(tài)電流注入法 電荷的轉(zhuǎn)移通過在轉(zhuǎn)移電極上加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖來實(shí)現(xiàn)的。這里僅以三相 CCDF口二相 CCD說明 CCD 勺電荷轉(zhuǎn)移過程。 1 .三相 CC0 的電荷轉(zhuǎn)移 圖 35 所示為三相 CCM 存儲(chǔ)電荷的移位過程。三相移位脈沖分別加到123。 電極上。設(shè) 1 工 1 時(shí)刻，電荷注入過程結(jié)束且電荷存儲(chǔ)在1 電極下的勢阱里，如圖 3-5(a)。 當(dāng) t=t2 時(shí)，1 下降，2 變?yōu)樽畲螅谑请姾砂鼜碾娢粸? 的各電

10、極下向電位為2 的各電極下較深的勢阱里轉(zhuǎn)移，見圖 35(b);到 t=t3 時(shí)電荷包全部轉(zhuǎn)移完畢，見圖 3- 5(c)。 然后當(dāng)2 下降， 3 變?yōu)樽畲髸r(shí)， 電荷包又從2 電極下轉(zhuǎn)移到3 電極下。 并依次類推， 每經(jīng)過了 T/2(T為時(shí)鐘脈沖的周期)完成電荷包轉(zhuǎn)移一個(gè)單元的全過程，直到輸出端。 2 .二相 CCD 勺電荷轉(zhuǎn)移 對于單層電極結(jié)構(gòu)的 CCD 為了保證電荷定向轉(zhuǎn)移，驅(qū)動(dòng)脈沖至少需要三相，即當(dāng)信號(hào)電荷從2 電極向3 電極轉(zhuǎn)移時(shí)，1 電極下面形成勢壘，阻止電荷倒流。如果想用二相脈沖驅(qū)動(dòng)，就必須在電極結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)并制造出某種不對稱性，即由電極結(jié)構(gòu)本身保證電荷轉(zhuǎn)移的定向性。如圖 36 所示，其

11、電極為二層，這樣，即使在同一柵壓作用下，產(chǎn)生的勢阱深度也不一樣，下面的電極產(chǎn)生的勢阱深，上面的電極產(chǎn)生的勢阱淺。 圖36二相CCDfe極結(jié)構(gòu)圖 二相 CCD 勺電荷轉(zhuǎn)移過程如圖 37 所示。 當(dāng) t=t1 時(shí)，1=0,2=V,設(shè)在電極 2 和電極 4 下面的勢阱中有信號(hào)電荷，由于勢阱兩邊勢能高，電荷不會(huì)轉(zhuǎn)移。 當(dāng) t=t2 時(shí)，1=蟲 2=1/2V,各個(gè)電極下面的勢阱分布相同，電極仍然不會(huì)轉(zhuǎn)移。 當(dāng) t=t3 時(shí)，1=3/4V、2=1/4V,這時(shí)電極 1、3、5 下的勢阱變深，電極 2、4 下的勢阱變淺。由于雙層電極的結(jié)構(gòu)，其勢阱呈階梯狀，所以，電荷不會(huì)向后轉(zhuǎn)移，而只 能朝勢能較低的方向轉(zhuǎn)移。

12、 當(dāng) t=t4 時(shí)，1=V、2=0,勢阱發(fā)生變化，這時(shí)電荷從 2、4 電極下的勢阱中轉(zhuǎn)移 到 3、5 電極下的勢阱中，電荷向右移動(dòng)了一位。 由于二相 CCDM有驅(qū)動(dòng)脈沖比較簡單，在相同時(shí)鐘頻率下，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移一位所需時(shí) 間短，同時(shí)在相同工藝條件下，二相 CCDK片比三相 CCDK 片布線簡單，所需芯片面積較 小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代傳真機(jī)中，大多采用二相 CCD 乍為圖像傳感器。二相 CCD勺不足之處是每 一個(gè)單元所容納的信號(hào)電荷量較小。 62=1/2Vt=t3 GQ- 62=1/4V 圖37二相CCD勺電荷轉(zhuǎn)移過程 三、電荷的輸出 電荷的輸出就是將經(jīng) CCD 專輸和處理的信號(hào)電荷變?yōu)殡娏骰螂妷盒盘?hào)輸出

13、。所以 CCD電荷的輸出分為t=t1 61=0 62=V t=t2 力力 i=3/4V t=t4 力i=V力2=0 6i=1/2V 電流輸出和電壓輸出兩種方法。 圖 3-8 所示為一簡單的電流輸出電路。它在輸出擴(kuò)散極（也可稱為輸出二極管）串一 負(fù)載電阻，電阻另一端接電源正極，使擴(kuò)散結(jié)處于反偏狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)電荷到達(dá)擴(kuò)散結(jié)時(shí)就被收集，同時(shí)在回路中產(chǎn)生電流。測量負(fù)載電阻上的電壓變化，就可表明電荷數(shù)量的多少。 輸出控制極（輸出柵）是用來限制收集到的電荷量，常加一固定偏壓（大于開啟電壓，但低于擴(kuò)散極的電壓），從而使輸出端得到比較平穩(wěn)的波形。另外，由于 CCD 電極的電荷負(fù)載量很 小，所以采用電流輸出時(shí)，在

14、輸出端必須加一級(jí)高靈敏度的前置放大器進(jìn)行放大。 2.電壓輸出 電壓輸出方式如圖 39 所示。它是在輸出擴(kuò)散極接 MOST 的柵極。當(dāng)被檢測的信號(hào)電荷到達(dá)擴(kuò)散結(jié)時(shí)，擴(kuò)散極的電位將發(fā)生變化，MOSf的柵極電位也引起變化，使 MOSf 的漏源回路中產(chǎn)生相應(yīng)的電流變化。電壓讀出方式較靈敏，因?yàn)?MOST柵電容很小，少量 的電荷就會(huì)引起柵壓的變化。采用電壓讀出方式時(shí)，必須采用復(fù)位電極，在每次檢測電荷后，給復(fù)位控制柵加一正脈沖，收集后的殘余電荷便由復(fù)位擴(kuò)散極泄放。使輸出擴(kuò)散極恢復(fù)到原來的電位。復(fù)位擴(kuò)散極常接固定正偏壓，處于全片的最高電位。 輸出 3-2CCD 攝像器件的主要類別 CCDjg 像器件根據(jù)像素

15、排列的，f#況，通常分為線陣 CCDg像器件和面陣 CCDg像器件 兩大類。近年來日本富士公司又研制出蜂巢形 CCD（SCCD）一經(jīng)推出便顯示了巨大的發(fā)展 潛力；此外，根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移方式不同，CC勰像器件又可以分為幀傳輸方式 CCD行間轉(zhuǎn)移 方式 CC/口幀-行間轉(zhuǎn)移方式 CCDE 種類別。3-2-1 根據(jù)像素排列方式分類一、線陣 CCDjg 像器件 線陣（Linear）CCD掃描景象時(shí)，在圖中畫出像素組成的每條線，這與臺(tái)式掃描儀掃描圖片的方法相同，速度越慢，分辨率越高，獲得一幅完整的圖像需要的時(shí)間就越長（見圖 3 10）。 圖310線陣CC嗨次掃描一條線 此外，使用線陣 CCR 描時(shí)需要一個(gè)保

16、持靜止的目標(biāo)，無法使用線陣 CCDpe拍攝活動(dòng) 景物，所以線陣 CCM能用于攝像和攝像機(jī)中。線陣 CCDi要用于高分辨率的室內(nèi)掃描型數(shù)字相機(jī)。 圖3-11面陣CCD同時(shí)曝光整個(gè)圖像 二、面陣 CCD像器件 面陣(Array)器件的像素是二維陳列，是包含一個(gè)光敏元件的矩陣，而不是單條線的 CCD元件，因此適合于攝像機(jī)中應(yīng)用。面陣 CCD)t電轉(zhuǎn)換器件的作用是將圖像光能量信息 轉(zhuǎn)換為電子模擬量信息，并將每個(gè)像素上的電子模擬量信息，通過串行掃描的方法自動(dòng)傳輸出來。矩陣中的每個(gè)元件代表圖像中的一個(gè)像素。當(dāng)快門按動(dòng)時(shí)，整個(gè)圖像同時(shí)曝光，同時(shí)被拍攝(參見圖 3-11)。顯然，矩陣中的像素越多，所獲得的圖像

17、分辨率越高。三、蜂巢形 CCDWSCCD 日本富士膠片公司開發(fā)的超級(jí) CCD(SCCDSuperCCD)1 像傳感器，具有八角形的光電二極管，并且像素陣列呈蜂巢形狀排列，所示稱為蜂巢形 CCD這種新的像素形狀和排列 方法和原先通常 CC皺計(jì)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)(見圖 3-12)。 常規(guī)CCD蜂巢形CCD 圖3-12蜂巢形CCD 1 .排列圖像單元的這種方法可以使 CCD 中的像素密度達(dá)到最高。與過去通常 CCD勺 呈直角的像素排列方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：提高了靈敏度，改進(jìn)了信號(hào)噪聲比，并且可以獲得更寬的動(dòng)態(tài)范圍。 2 .這種器件的形狀和蜂巢形的排列顯著地提高了空間利用率。例如，1.3Mpx 的 S

18、CCD 提供的圖像質(zhì)量和 2.0Mpx 的常規(guī) CCDf 當(dāng)。 3 .差別在于光電二極管對面積的充分利用上，從而改善了圖像的質(zhì)量。例如，0.5 英寸的 SCCEM 有 2.0X10 像素的像素?cái)?shù)量，大約是同樣面積的通常 CCD 勺 1.6 倍。 4 .蜂巢形的排列圖形有利于獲得較高的分辨率，不論在水平方向還是在垂直方向都 是如此。較高的分辨率容易和人類的視力特性相匹配。此外，這樣的排列有利于給光電 二極管傳送電荷，使高速連續(xù)獲取圖像成為可能。 3-2-2 根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移方式分類 CCD的信號(hào)傳輸方式，又稱為電荷傳輸方式或信號(hào)讀出方式。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可分 為幀傳送方式（Frame-Transfe

19、r,簡稱 FT方式）和行間轉(zhuǎn)移方式（Interline-Transfer 稱 IT 方式）兩大類。其中 IT方式又分隔行掃描方式和逐行掃描方式。 一、幀傳輸方式 幀傳輸方式（Frame-Transfer）結(jié)構(gòu)如圖 3-13 所示，由成像區(qū)、存儲(chǔ)器和讀出寄存器三部分組成。這種方式的主要特點(diǎn)是將成像區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)單獨(dú)分開，各司其職，各起各的作用。 也根器 時(shí)一控制電極 通漕冏離 存儲(chǔ)區(qū)的像素?cái)?shù)、構(gòu)成和成像區(qū)基本相同，不同的是存儲(chǔ)區(qū)上面有一光屏蔽層不受光的作用。當(dāng)透鏡將所拍攝的圖像聚焦在成像區(qū)時(shí)，代表圖像的二維信號(hào)電荷在場掃描正程期間內(nèi)，上部成像區(qū)的像素根據(jù)入射光的強(qiáng)弱，在相應(yīng)的像素內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的光電荷形

20、成電子像。在場掃描逆程期間，成像區(qū)的各電極加以幀轉(zhuǎn)移垂直寄存器的高速時(shí)鐘脈沖，使成像區(qū)的整場信號(hào)電荷快速地轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)。成像區(qū)的行數(shù)等于存儲(chǔ)區(qū)的行數(shù)，成像區(qū)的最前面一行信號(hào)電荷直接進(jìn)入輸出水平寄存器內(nèi)。在下一個(gè)場掃描正程時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)在行轉(zhuǎn)移垂直寄存器的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，以一步一行的方式，將它所接收的整場信號(hào)電荷逐行步進(jìn)地轉(zhuǎn)移到輸出寄存器內(nèi)。步進(jìn)一行是在一個(gè)行的掃描逆程內(nèi)完成，而各步之間的時(shí)間間隔則是一個(gè)行掃描正程。因此，正好在一個(gè)場掃描正程時(shí)間內(nèi)將存儲(chǔ)區(qū)的全部信號(hào)電荷輸出完畢，這個(gè)時(shí)間也正是下一場信號(hào)電荷的積累時(shí)間。這樣，當(dāng)在下一個(gè)場逆程時(shí)間內(nèi)欲將整場圖像信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，存儲(chǔ)區(qū)正好全部

21、空著。至于輸出寄存器，則在一個(gè)行正程時(shí)間內(nèi)，在水平時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，將信號(hào)電荷逐位轉(zhuǎn)移到輸出二極管。而在行掃描逆程時(shí)間內(nèi)又接收下一行的信號(hào)電荷，然后陸續(xù)輸出。就這樣，在各個(gè)時(shí)鐘脈沖的驅(qū) 動(dòng)下，周而復(fù)始地輸出視頻信號(hào)。幀傳輸（FT）方式的電荷轉(zhuǎn)移與讀出方式如圖 3-14 所示。 幀傳輸（FT）方式的優(yōu)點(diǎn)是：（1）電極結(jié)構(gòu)簡單容易制作；（2）可以將像素做得更密集，能得到比較高的分辨力；（3）由于成像區(qū)全部進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，因而靈敏度比較高。.應(yīng)帝恨 存砧得 派出,寄“器I 圖3-13幀傳輸（FT）方式結(jié)構(gòu)示意 圖3-14幀傳輸（FT）方式的電荷轉(zhuǎn)移與讀出 幀傳輸（FT）方式的缺點(diǎn)是：（1）由于成像區(qū)和

22、存儲(chǔ)區(qū)占據(jù)同樣大小的芯片面積，因而器件面積較大；（2）會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的高亮度垂直拖尾，為此一定要使用光閘（俗稱快門裝置）。 二、行間轉(zhuǎn)移方式 行間轉(zhuǎn)移方式（InterlineTransfer）與上述幀轉(zhuǎn)移方式有明顯的不同，它是將幀轉(zhuǎn) 移方式的兩個(gè)芯片合一，在一個(gè) CCDK片上完成感光、存儲(chǔ)和讀出的功能。其原理如圖 3-15 所示。 圖3-15行間轉(zhuǎn)移（IT）方式結(jié)構(gòu)示意 從圖中可以看出，行間轉(zhuǎn)移方式的成像區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)分別以垂直條相間放置，其中每一個(gè) 獨(dú)立單元由三部分組成：感光部分（成像部分）、開關(guān)部分和存儲(chǔ)用的垂直移位寄存器。 在場正程期間，感光部分根據(jù)入射光產(chǎn)生相應(yīng)的電荷；在場逆程期間，感光部分通

23、過開關(guān)快速地將電荷傳送到相應(yīng)的垂直寄存器，這個(gè)過程在所有獨(dú)立單元同時(shí)發(fā)生，完成成像區(qū)電荷向存儲(chǔ)區(qū)的傳送。在下一個(gè)場正程期間，成像條中的感光部分再次積累電荷，而存儲(chǔ)條中所存儲(chǔ)的電荷將以比幀轉(zhuǎn)移方式慢得多的速率轉(zhuǎn)移到水平輸出寄存器中。即在每個(gè)行消隱期間垂直下移一個(gè)單元，將一行電子像送到水平輸出寄存器，在下一個(gè)行正程期 1口nII 1 Q1Z , 1 1 1 1 1 F 感光部分 一垂直移位寄存器 一解光解整 就輸出 水平將存據(jù) 量光元件 受光部坤存儲(chǔ)部樣 間，將存儲(chǔ)在水平輸出寄存器中的一行電子像讀出，從而形成所需要的視頻信號(hào)。 行間轉(zhuǎn)移（IT）方式分隔行掃描和逐行掃描兩種方式。隔行掃描方式是指在每

24、一場正程 期間，水平寄存器只接受 A列或 B列掃描圖像信號(hào)，最后兩場信號(hào)經(jīng)過合成輸出一幀完整 的圖像（見圖 3-16）。 圖316隔行掃描方式 逐行掃描方式是指在每一場正程期間，水平寄存器接受的是 1/2 幀掃描圖像信號(hào)， 兩場信號(hào)順序輸出合成一幀完整圖像（見圖 3-17）。 從 CCD的開口率（即有效像素面密度）看，F(xiàn)T 幀傳送方式要有利得多。IT掃描方式為防止靈敏度下降，每個(gè)像素都備有以聚光為目的的微透鏡，F(xiàn)T方式?jīng)]有傳輸通路，沒有微 透鏡，因而每一像素面積增大、生產(chǎn)成本降低。靈敏度特性的高低順序是 FT方式IT方式。隔行掃描和逐行掃描兩種方式靈敏度相比較，隔行 FT 方式逐行 IT方式。

25、靈敏度與受光元 件面積成正比例。受光元件的面積，如以 FT 方式為 1 的話，則隔行掃描方式約為 2/3, 逐行方式約為 1/2。 目前 CCD 的信號(hào)讀出方式尚存在不盡人意之處。對于 FT方式來說，由于像素傳輸通路是合用的，只要有一個(gè)像素有缺陷，那么縱向一列的信息就接收不到。因此，生產(chǎn)過程中成品率低，制造成本高。此外，如果要使顯示再生，則需要配備存儲(chǔ)器。因此，CCD 整 體的封裝尺寸變大；對于 IT 方式來說，受光部分和傳輸通路都要占用面積，因而開口率難 以提高。隨著像素的增加，生產(chǎn)的成品率也可能降低。 圖3-17逐行掃描方式 行間轉(zhuǎn)移（IT）方式的優(yōu)點(diǎn)是：（1）結(jié)構(gòu)簡單，不需要單獨(dú)的存儲(chǔ)芯

26、片，整個(gè)芯片表面 積比幀轉(zhuǎn)移方式要?。海?）每個(gè)獨(dú)立單元中的感光部分彼此獨(dú)立，有可能取得較高的空間頻 率；（3）經(jīng)過對芯片的不斷改進(jìn)，在正常照度下的垂直拖尾現(xiàn)象大大減輕。 行間轉(zhuǎn)移（IT）方式的缺點(diǎn)是：（1）為了避免光從屏蔽層兩側(cè)漏進(jìn)存儲(chǔ)條，一般要使屏 蔽層的寬度大于存儲(chǔ)條寬度，這樣，總的感光面積減小，靈敏度比較低；（2）在強(qiáng)光照射下, 將出現(xiàn)明顯的垂直拖尾現(xiàn)象。 三、幀一行間轉(zhuǎn)移方式 幀一行間轉(zhuǎn)移（FIT,Frame-InterlineTransfer）方式是幀轉(zhuǎn)移方式和行間轉(zhuǎn)移方式 的組合，它吸取了兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的主要缺點(diǎn)，從而使 CCDg像器件的性能得到 進(jìn)一步改善。如圖 3-1

27、8 所示。 存儲(chǔ)區(qū)成豫區(qū) 1 iriniifi ZOJ口 口口口口口視頻輸出 圖3-18幀一行間轉(zhuǎn)移（FIT）方式 幀-行間轉(zhuǎn)移方式的基本原理如下：在場正程期間，所有的成像區(qū)感光器接受入射光形成電荷包，在場消隱期間，首先以極快的速度將所有成像區(qū)感光器上的電荷一次轉(zhuǎn)移到各相應(yīng)的寄存器，緊接著又以極快的速度將各寄存器的電荷轉(zhuǎn)移到下面的存儲(chǔ)區(qū)。在下一個(gè)場正程期間的工作情況與幀轉(zhuǎn)移方式相似。 3-3CCD 攝像器件的主要性能指標(biāo) 3-3-1CCD 像素量 NTSC 制電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每幅畫面由 525 條掃描線（PAL 制為 625 線）構(gòu)成。為了符合這一 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的清晰度，固體攝像器件的像素?cái)?shù)在垂直方

28、向應(yīng)有 500 左右（PAL 制為 600）、水 平方向應(yīng)有 700 左右（PAL 制為 800）。如果固體攝像元件受光部分的面積要符合目前彩色攝像機(jī)鏡頭系統(tǒng)的配套要求，像使用現(xiàn)行的 1.69cm（2/3 英寸）攝像管時(shí)受光面積應(yīng)為 6.6（縱向）mmx8.8（橫向）mmt為了適應(yīng)這一面積大小，固體攝像元件每一像素的大小應(yīng)約占 13W m2 的面積，而且在這樣小的面積上還要有 3-4 個(gè)電極，這一水準(zhǔn)對于目前生產(chǎn)大規(guī)模集成 電路的光刻技術(shù)要求已相當(dāng)高了?，F(xiàn)在像素量最多的是場傳送方式的 CCD 元件，已達(dá)到 492（V）x660（H）的水平，這一水平還在不斷得到提高。目前我們已經(jīng)可以把 CCM

29、像素做 到 200 萬以上的高分辨率。3-3-2CCD轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失 電荷包在每次轉(zhuǎn)移過程中都有部分電荷殘留下來混入后續(xù)的電荷包中。殘留電荷量與轉(zhuǎn)移電荷量之比稱為轉(zhuǎn)移損失，用表示。而已轉(zhuǎn)移電荷量與未轉(zhuǎn)移前電荷量之比稱為轉(zhuǎn)移效率，用 Y表示。如果經(jīng) N次轉(zhuǎn)移，則總轉(zhuǎn)移損失為 eN;總效率為 YNlo轉(zhuǎn)移損失使信號(hào)衰減，并限制轉(zhuǎn)移次數(shù)，即掃描行中的像素?cái)?shù)。 像素多的 CCM件，信號(hào)傳送次數(shù)也就增多了，最后輸出的信號(hào)是受傳遞效率和傳送次數(shù)影響的。傳遞效率越低，次數(shù)越多，信號(hào)衰減量越大：當(dāng)然每次傳遞效率為 100%最 為理想，但這是做不到的。假設(shè)每次傳遞效率為 99.98%,那么傳送 1500 次

30、后就將衰減到 74%。由于存在傳送損失，那么像素中就有殘留信號(hào)電荷，殘留的信號(hào)電荷和傳送來的信號(hào)電荷混合在一起，就使信號(hào)產(chǎn)生了失真，對靈敏度和清晰度都有影響。為了提高傳送效率，將電極加工成電極間不留間隙的重疊式電極，同時(shí)考慮到信號(hào)電荷在硅基片表面?zhèn)魉蜁r(shí)，容易溢出丟失這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出了在基片表面下 1-2 科 m處加工傳送電荷的埋藏式信號(hào) 電荷通道的方式。 3-3-3CCD 靈敏度 要使固體攝像元件具有高靈敏度，重要的是當(dāng)元件受光時(shí)，轉(zhuǎn)換信號(hào)電荷的效率要高。了般的固體攝像元件多采用在硅基片上平面排列光敏元件和開關(guān)元件。這樣受光面積小， 是不能獲得高靈敏度的。尤其是 CCM 件只能利用入射光的 3

31、0%以下，因此為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)了結(jié)合式光敏二極管及透明電極等多種方式。另外，電極使用多晶硅或鋁類材料會(huì)使藍(lán)色靈敏度變低，而紅和紅外范圍靈敏度高，這樣使攝像元件的彩色平衡很困難。最近研究成的一種新方式是將硒神確之類的高靈敏度攝像管的感光膜物質(zhì)進(jìn)行疊層處理。在疊層物的下面安裝上光電轉(zhuǎn)移部分和掃描部分，制成雙層結(jié)構(gòu)的攝像元件。這種方式可以 100%地利用入射光，使攝像元件達(dá)到很高的靈敏度。 3-3-4CCD 光譜響應(yīng)特性 CCDW光譜特性與硅靶管相似，光譜響應(yīng)從 400nm延伸到 1100nni對可見光與紅外光 都很靈敏。為獲得彩色圖像，必須將有效像素中的各種顏色分散。原色系和補(bǔ)色系濾色(

32、光)器就是用來分散各種顏色的。原色系濾光器按照三原色原理，有規(guī)則地貼附上紅(R)、Z(G)、 藍(lán)(B)純色濾光器，通過 RG眺光器接受光線。補(bǔ)色系通過青(Cy)、品紅(Mg)、黃(Ye)三補(bǔ)色濾光器 CMYG受光線并產(chǎn)生彩色圖像(參見圖 319)。 圖3-19原色補(bǔ)色慮色器結(jié)構(gòu)與頻率特性 3-3-5CCD 可靠性 由于 CC 郵件的可靠性高，工作電流低，不受電磁場干擾等，CCD勺雜波電平很低, 能用于微光。當(dāng)把前置放大器集成在同一硅片上時(shí)，可以得到信噪比很高的視頻信號(hào)。 3-3-6CCD 的拖影現(xiàn)象 固態(tài)圖像傳感器存在的最大問題就是垂直拖影，當(dāng)強(qiáng)光入射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過量光電荷， 像素發(fā)生電荷溢出現(xiàn)象，溢出電荷流入垂直傳送線就會(huì)引起垂直方向的光滲出現(xiàn)象。在拍 攝特別亮的物體如汽車燈或陽光時(shí)，最容易看到這種現(xiàn)象。由于 CCM普通的 1.69cm(2/ 3 英寸）攝像