第6章-CCD和COMS成像器件

第6章全固態(tài)成像器件分類ImageSensor的分類有兩種：

1.CCD圖像傳感器

2.CMOS圖像傳感器ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合組件簡稱）是攝像系統(tǒng)中可記錄光線變化的半導體，通常以百萬像素〈megapixel〉為單位CCD背景介紹W.S.Boyle與G.E.Smith1969年，由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。同年，日本的SONY公司也開始研究CCD。1973年1月，SONY中研所發(fā)表第一個以96個圖素并以線性感知的二次元影像傳感器〝8H*8V(64圖素)FT方式三相CCD〞。1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64VCCD研究成功了。1976年8月，完成實驗室第一支攝影機的開發(fā)。1980年，SONY發(fā)表全世界第一個商品化的CCD攝影機(編號XC-1)。1981年，發(fā)表了28萬個圖素的CCD(電子式穩(wěn)定攝影機MABIKA)。1983年，19萬個圖素的IT方式CCD量產(chǎn)成功。1984年，發(fā)表了低污點高分辨率的CCD。1987年，1/2inch25萬圖素的CCD，在市面上銷售。同年，發(fā)表2/3inch38萬圖素的CCD，且在市面上銷售。1990年7月，誕生了全世界第一臺V8目前有能力生產(chǎn)CCD的公司有：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Sanyo和Sharp，大部分是日本廠商第6章CCD和COMS成像器件電荷耦合器件（CCD）的成像器件屬于固體成像器件，其作用原理和尋址方式與電子束掃描的攝像管完全不同。CCD已成為當前固體成像器件中較普遍采用的類型，但不能代表所有的固體攝像器件。CCD的應用主要有兩大類：

一、信息存貯和信息處理。如在電子計算機或其它數(shù)字系統(tǒng)中用作用作延時器等，

二、攝像器件。這種裝置與真空攝像管的主要區(qū)別在于它把光電轉(zhuǎn)換、信號存貯及讀取三個部分都集中在一個支承片上，成為一個全固體攝像器件。與真空攝像器件相比，CCD成像器件具有：體積小、重量輕、結構簡單、功耗小、成本低、與集成電路工藝兼容等優(yōu)點，正得到深入發(fā)展和廣泛應用，如黑白、彩色、微光、紅外攝像器件，用于軍事探測、氣象觀察、大氣觀察、醫(yī)學觀察、天文觀察、火災報警、閉路監(jiān)控等等。隨著集成電路水平的提高，CMOS型成像器件水平提高得很快，也得到了廣泛的應用，已經(jīng)成為CCD成像器件的有利競爭者。6.1電荷耦合器件的基本原理MOS電容即金屬（Metal）-氧化物(Oxidation)-半導體(Seminconductor)構成的電容器，常稱為MOS電容，或MOS結構。（a）MOS電容器；（b）一般電容器。電容的相同特征注意其區(qū)別:電荷分布不一樣.6.1.1MOS結構特征能帶向上彎，隨著向表面接近，價帶頂將逐漸甚至超過費米能級;表面價帶中空穴濃度隨之增加，這樣表面層內(nèi)就出現(xiàn)空穴堆積而帶正電荷。越接近表面空穴濃度越高，這表明空穴堆積分布在靠近表面的薄層內(nèi)。如圖6-2（a）所示。1.UG<0，多數(shù)載流子堆積狀態(tài)表面處能帶向下彎曲，這時越接近表面，費米能級離價帶頂越遠;表面價帶中空穴濃度隨之降低，表面處空穴濃度將較體內(nèi)空穴濃度低得多，表面層的負電荷基本上等于電離受主雜質(zhì)濃度，表面層的這種狀態(tài)稱為耗盡，這個表面層稱為耗盡層，這屬于空間電荷區(qū)。2.UG>0多數(shù)載流子耗盡

空間電荷區(qū)兩端的電勢差為表面勢，以VS表示，規(guī)定表面電勢比內(nèi)部高時，VS取正值。由于表面能帶向下彎，存在表面勢，具有對電子的收集能力，在表面處形成電子勢阱。隨UG↑，VS↑，耗盡層寬度d↑，收集電子能力↑、勢阱變深，如圖6-2（b）所示。

表面處能帶進一步向下彎曲，表面處費米能級位置可能高于禁帶中央能級Ei，這意味著表面處的電子濃度將超過空穴濃度，即形成與原來半導體襯底導電類型相反的一層叫做反型層，如圖6-2（c）所示。3.UG>0，UG繼續(xù)增大

當UG>0，有自由電荷進入勢阱，耗盡層寬度和表面勢VS均隨著電荷的增加而減小，勢阱變淺。在這種情況下，半導體空間電荷層內(nèi)的負電荷由兩部分組成，一部分是耗盡層中已電離的受主電荷；另一部分是反型層中的電子，后者主要堆積在近表面內(nèi)。4.UG>0，有自由電荷進入勢阱當電子充滿勢阱時，達到穩(wěn)定狀態(tài)，界面電子濃度等于襯底受主密度，該時就達到強反型層。在強反型層時，VS=2VF=2（Ei-EF），如果外界不注入少子（電子）或不引入各種激發(fā)，則反型層中的電子的來源只能是耗盡層中熱激發(fā)產(chǎn)生的電子，即熱生載流子，這種熱激發(fā)是很慢的，為一弛豫過程,約為10-3~10-1s量級。5.強反型層在穩(wěn)定狀態(tài)下，不能再向勢阱注入電荷。這種情況對于探測光信號是沒用的。對于光電探測，所關心的是非穩(wěn)態(tài)情況。在通常情況下，反型層中的自由載流子由熱生載流子所提供。熱生過程比較緩慢，10-3~10-1s，所以不會立即達到穩(wěn)定態(tài)。因此可利用反型前的非穩(wěn)定條件即在深耗盡時人為地注入信號電荷，如電注入或光注入，就可以達到存儲和轉(zhuǎn)移電荷的目的。這就是CCD的工作條件。綜上所述，CCD就是在非穩(wěn)定條件下工作的MOS電容器的集成。6.1.2CCD的勢阱深度和存貯電荷能力QD=NAedd——耗盡層厚度；NA——受主雜質(zhì)濃度QG+QI+QD=0QG——柵電荷（+）；QI——自由電子電荷（-）；QD——耗盡層固定電荷（-）根據(jù)半導體公式可知，d=(2εVS/NAe)1/2ε——基底材料的介電常數(shù)。QD=[2εNAeVs]1/2

CCD的電壓關系:

，

UFB為平帶電壓

Wm,Ws分別為金屬、半導體的逸出功自由電荷量QI為ne，n為自由電荷的密度，得：則

將（6-5）式代入（6-4）式，并考慮到自由電荷量QD為ne，n為自由電荷的密度，得，

并設

由此可見，表面勢與柵壓，氧化層電容，受主濃度以及勢阱中的自由電子濃度有關。其中A為柵面積，氧化層的電容6.1.3電荷耦合原理CCD工作在深耗盡區(qū)，可以用電注入或光注入的方法向勢阱注入電荷，以獲得自由電子或自由空穴，此勢阱中所包含的自由電荷通常稱為電荷包。在提取信號時，需要將電荷包有規(guī)則地傳送出去，這一過程叫做CCD的電荷轉(zhuǎn)移，它是靠各個MOS的柵極在時鐘電壓作用下，以電荷耦合方式實現(xiàn)的。勢阱深度的形象表達；勢阱的電荷形象表達。電荷耦合原理6.2.1轉(zhuǎn)移電極結構

轉(zhuǎn)移電極結構通常按照每個單元采用的電極相數(shù)來劃分，如每個單元包含三個電極，分別由三相時鐘脈沖供電，則稱為三相CCD，對于某些特殊結構的CCD，可采用二相供電，稱二相CCD。如每個單元包含四個電極，分別由四相時鐘脈沖供電，則稱為四相CCD.1三相電極結構。圖6-6三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程a.由于N'A>NA，所以左邊VS<右邊VS。.b.因為左邊dox>右邊dox，所以左邊Vs<右邊Vs。c.雙金屬層的結構，類似b。2．二相電路結構設計了位壘，能防電荷向后倒流，如圖6-7（d）。二相電路同三相相比，簡化了供電線路，接線方式可以使電荷由左向右轉(zhuǎn)移，也可從右往左轉(zhuǎn)移。二相電極結構雖然供電系統(tǒng)簡單，但是電荷存貯能力和處理能力比三相的低。還有四相CCD。6.2.2轉(zhuǎn)移信道結構CCD的電荷轉(zhuǎn)移信道有兩種形式:即表面轉(zhuǎn)移信道和體內(nèi)（或埋溝）轉(zhuǎn)移信道。采用表面信道的CCD，稱為表面CCD，簡稱SCCD，采用埋溝信道的CCD，稱為埋溝CCD，簡稱BCCD。SCCD轉(zhuǎn)移和存貯信號電荷的位阱都是在Si-SiO2界面下。SCCD存在一些問題，如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低，其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。在Si和SiO2界面處存在Na+，K+等雜質(zhì)離子，形成表面態(tài)，表面態(tài)密度成馬鞍形，能量位于禁帶，其態(tài)密度中央小，靠近價帶和導帶的密度大，在1013cm-3左右。實際上，表面態(tài)發(fā)射電子速度較慢，電子跟不上信號電荷的轉(zhuǎn)移速度，從而進入后續(xù)的電荷包，造成信息損失，使轉(zhuǎn)移效率下降，轉(zhuǎn)移速度不能提高。為了避免表面態(tài)的作用，將電荷轉(zhuǎn)移信道埋在體內(nèi)，從而形成埋溝CCD。1．SCCD的一些問題2．BCCD結構

基底為P型，在硅的表面注入雜質(zhì)，如元素磷P，使之形成N型薄層。在N型兩端做上N+層，起源和漏的作用。

從金屬電極、SiO2層和N型層來看，相當于柵極加負電壓，于是在N區(qū)形成場感應耗盡層（電子耗盡層），其厚度為d1；同時，由于N和P之間施以反偏壓，故形成體內(nèi)的耗盡層，其厚度為d2+d3，d2，d3分別為擴展到N區(qū)及P區(qū)的部分的耗盡層，d2，d3隨偏壓的升高而增大，當增加到某一值時，d2與d1在Z-Z處相接觸時，N區(qū)全部電離，d2不能再增加。一旦貫通后，VZ值與VB無關，不管VB如何進一步增加，VZ始終保持著貫通時的VB值。圖6-10埋溝CCD圖6-11埋溝CCD能帶場感應耗盡層和PN結耗盡層

通過計算可得，VZ~UG近似呈線性，VZ是氧化層厚度dox、N層厚度dN、N層中的施主濃度ND、P基底的受主濃度的受主濃度NA，以及柵壓UG的函數(shù)。1．dox=0.1μm,dN=2μm,ND=2×1015cm-32．dox=0.6μm,dN=2μm,ND=2×1015cm-33．dox=0.1μm,dN=2μm,ND=4×1015cm-34．dox=0.1μm,dN=5μm,ND=2×1015cm-3UG↑→VZ↑，VZ~UG近似成直線;dox↑→VZ↑；dN↑,VZ↑；ND↑→VZ↑1)BCCD中傳遞信息的電子是N層中的多子，后者是P層中少子。3．BCCD和SCCD之間的區(qū)別5)BCCD最大優(yōu)點是低噪聲，這主要是由于消除了信號電子與表面態(tài)間的相互作用。低噪聲加上高的轉(zhuǎn)換效率使得BCCD成為低照度下的理想攝像器件。4)BCCD轉(zhuǎn)移速度高3)BCCD轉(zhuǎn)移損失比SCCD小1~2個數(shù)量級，具有高的轉(zhuǎn)移效率。2)SCCD中的信息電荷集中在界面處很薄的反型層中，而BCCD的信息電荷集中在體內(nèi)Z平面附近，BCCD處理電荷的能力比SCCD約小一個數(shù)量級。6.2.3通道的橫向限制

如果電極間距離較大，勢阱形狀將發(fā)出彎曲變化，會使信號電荷漏出，外面電荷也會漏進來。

隔離方法：a.加屏蔽電場、

b.溝阻擴散（或注入）法

c.氧化物臺階法。圖6-12橫向限制技術1—位壘場屏蔽極；2—轉(zhuǎn)移電極；3—屏蔽極；4—SiO25—耗盡層；6—厚氧化層；7—溝阻擴散層a)加屏蔽電場b)氧化層臺階法c)溝阻擴散法d)改善的方法聯(lián)合采用厚場氧化物和重摻雜的溝阻擴散。6.2.4輸入結構CCD勢阱獲得電荷的方法有三種：即熱生、光生及電注入。

熱生電荷構成暗電流，

光生電荷構成光信號電流，

電注入的電荷既可以是數(shù)字或模擬處理系統(tǒng)的輸入信號，也可以是其它光電器件的光電信號。

電注入的方法有很多，但其基本指導思想都是要盡量保證注入的電荷量同實際信號呈線性，具體分為兩種：

一、保證電荷包大小同輸入電壓成正比，

二、保證表面勢的大小同輸入電壓成正比。在實際中，電位平衡法應用最廣泛。(a)輸入信號加在G2上，輸入柵壓G1保持恒定電壓，開始時輸入二極管加低電位脈沖，作為采樣窄脈沖.(b)此時由于UG2>UD，故電荷注滿G2勢阱。(c)然后立即升高二極管電位，使之處于強反偏狀態(tài)，這樣G2存貯阱中的多余電荷則向二極管區(qū)倒流，直到G2下面的表面勢同G1下面的表面勢相等轉(zhuǎn)移的電荷

:QS=COx(UG2-UG1)

即VSG1=VSG2=VSG2下的勢阱電荷QS=Cox[UG2-VSG2-(2u0VS)1/2]因為G1下已經(jīng)沒有電荷，VSG1=UG1-(2u0VSG1)1/2(d)在Φ2變?yōu)楦唠娖剑盘栯姾赊D(zhuǎn)移到Φ2勢阱中。電位平衡法的優(yōu)點:1、線性特性好，2、有高信噪比，3、信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中，不會因為界面態(tài)及電荷轉(zhuǎn)移不完全而使信號失真。4、電位平衡法消除了柵注入法所帶來的隨機噪聲。它是目前表面CCD作為模擬信號處理較理想的輸入方法。輸出結構的任務:從輸入端輸入的電荷包，在時鐘脈沖的作用下，很快轉(zhuǎn)移到輸出端的最后一個時鐘電極下面，還需要把電荷包無破壞地以電流或是以電壓的方式輸送出去。輸出結構有:反偏二極管輸出結構、浮置擴散層(FD)輸出結構、浮置柵結構、分布式浮置柵結構等，用得最多還是浮置擴散層輸出結構。6.2.5輸出結構

浮置擴散層輸出結構

輸出柵極為一固定的中等電平，在Φr為低電平，當Φ3下降時，電荷包轉(zhuǎn)移到反偏二極管的位阱中，D點變化，電壓變化被T2管放大，檢出。節(jié)點D電位變化與信號電荷QS為CFD浮置擴散點上的總電容，包括輸出二極管電容和放大管的柵電容。MOST2放大管放大后的電壓增益為gm為跨導，RL是輸出端負載電阻，所以輸出信號電壓

當Φr加正的窄脈沖時，即MOSFTTT1的柵極加有復位電位，T1管導通，UGG電壓直接加在D點上。此時，擴散層處于強反型狀態(tài)，當前一個電荷輸出完畢，下一個電荷包尚未輸入之前，把前一個電荷包電荷抽走，使輸出端T2柵極復位，以準備接收下一電荷包的到來，之后MOST1截止，準備接收電荷。6.3CCD的主要特性1．電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率

設電荷包的原電量為Q0，轉(zhuǎn)移到下一個勢阱時電荷包的電量為Q1，則轉(zhuǎn)移效率

與η對應還定義損耗率ε=

電荷轉(zhuǎn)移效率

設CCD共有n次轉(zhuǎn)移，則總的轉(zhuǎn)移效率

（6-20）

（6-18）（6-19）

，Q0-Q1

勢阱中還剩余的電荷。

單位電荷包的輸出信號

信號經(jīng)多位傳輸后，主峰減小，并產(chǎn)生延時現(xiàn)象。引起電荷包不完全轉(zhuǎn)移的原因有：表面態(tài)對電子的浮獲、體內(nèi)缺陷對電荷包的作用，自感應電場、熱擴散、邊緣電場等，主要原因還是表面態(tài)對電子電荷的浮獲，時鐘頻率過高。

所以SCCD在使用時，為了減小損失，提高轉(zhuǎn)移效率，常采用偏置電荷技術,采取體內(nèi)溝道的傳輸形式。2．工作頻率a.時鐘頻率的下限f下

f下決定于非平衡熱生載流子的平均壽命τ，一般為毫秒量級，此處非平衡載流子一般由熱激發(fā)所產(chǎn)生的少數(shù)載流子。為了避免其對信號電荷的影響，電荷包在相鄰兩電極之間的轉(zhuǎn)移時間t，應小于τ，即t<τ。對于三相CCD，電荷包從前一個勢阱轉(zhuǎn)移到后一個勢阱所需時間為T/3

（6-21）

（6-22）

（6-23）

對二相CCD由于熱產(chǎn)生的附加電荷是積累的，經(jīng)多次轉(zhuǎn)移就可觀了。如果要求熱產(chǎn)生的少子注入小于信號處理能力的1%，對于表面CCD和三相CCD，運行頻率要求高于10KHz，這就是CCD工作的頻率下限。3．電荷貯存容量CCD電荷貯存容量表示在電極下的勢阱中能容納的電荷量，由于CCD是電荷存貯與轉(zhuǎn)移的器件，因此電荷存貯容量等于時鐘脈沖變化幅值電壓ΔV與氧化層電容Cox的乘積Q=Cox·ΔV·A

式中ΔV為時鐘脈沖變化幅值；Cox為SiO2層的電容，A為柵電極面積，如SiO2氧化層的厚度為d，則每一個電極下的勢阱中，最大電荷貯存容量

Nmax=

提高時鐘脈沖的幅值或減小d值，均可以增大電荷貯存量，但這兩個條件都受到SiO2擊穿電場強度的限制，通常電場強度Emax=5~10×108V·cm-12048×2048面陣CCD5000像元線陣CCD1.三相單溝道線陣CCD2.雙溝道線陣CCD3.面陣CCD攝像器件6.4電荷耦合成像器件6.4.1線陣電荷耦合成像器件1．結構：兩相線陣，2048個像素，光敏區(qū)、存貯電極、電荷轉(zhuǎn)移電極、CCD移位寄存器、輸出機構和補償機構，圖6-20TCD102C-1型CCD結構原理圖2．原理1）光電轉(zhuǎn)換與存儲。光透過正面透明電極及電極間隙入射在基底上，產(chǎn)生光生電荷存貯在p-n結和存貯電極下勢阱中。

2）轉(zhuǎn)移。當SH為高電平時，光生電荷包被轉(zhuǎn)移到對應的CCD移位寄存器中。當SH為低電平期間進行攝像，PN結存貯光電荷，進行光積累。在電荷包轉(zhuǎn)移期間，按奇偶序號分開，分別轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的移位寄存器中去。左端是器件的輸出機構，Q1、Q2為場效應管，它們構成源極跟隨器，下接兩個管子作跟隨器負載電阻用，通過它們把攜帶圖像信息的電荷包以電壓的形式送到器件以外。

3）輸出。OS端就是CCD信號輸出電極。RS電極為復位控制極，需要外加適當?shù)膹臀幻}沖，每當前一個電荷包輸出完畢，下一電荷包尚未輸出之前，RS電極上應出現(xiàn)復位脈沖，它把前一電荷包電荷抽走，使輸出管Q1的柵極電位復原，以準備接收下一電荷包到來。右端1S、1G電極組成補償機構，當外加適當脈沖電壓時，可實現(xiàn)肥零補償。6.4.2面陣電荷耦合成像器件(ACCID)

1．幀/場轉(zhuǎn)移結構(FT)（2）幀轉(zhuǎn)移：在相當于垂直消隱期間內(nèi)，光敏區(qū)的信號電荷平移到暫存區(qū)。（3）行轉(zhuǎn)移：當光敏區(qū)處于第二場光積分期間，暫存區(qū)的驅(qū)動脈沖為行轉(zhuǎn)移脈沖，在相當于水平消隱期間，暫存區(qū)將原來從光敏區(qū)平移來的信號按一行一行地轉(zhuǎn)移到水平讀出寄存器，直至暫存區(qū)最上面一行中的信號電荷進入讀出寄存器中。（4）位轉(zhuǎn)移：已進入讀出寄存器的信號電荷，在相當于行正程期間，由水平時鐘驅(qū)動下快速地一行接一行將一行內(nèi)的電荷包一個個讀出，在輸出級得到視頻信號。（1）光積分：在一場時間內(nèi)，光生信號電荷就被收集在這些電極下的勢阱中，在整個光敏區(qū)便形成了與光像對應的電荷圖形。2．行間轉(zhuǎn)移結構(ILT-CCD)

光敏元呈二維排列，每列光敏單元的右邊是一個垂直移位寄存器，光敏元與轉(zhuǎn)移單元之間一一對應，二者之間由轉(zhuǎn)移柵控制，底部仍然是一個水平讀出寄存器，其單元數(shù)等于垂直寄存器個數(shù)。原理:（1）光敏元在積分期內(nèi)積累的信號電荷包，在積分期末了時，在轉(zhuǎn)移柵控制下水平地轉(zhuǎn)移一步進入垂直寄存器件。（2）在相當于水平消隱期間，在、作用下，暫存區(qū)將原來從光敏區(qū)平移來的信號一行一行地轉(zhuǎn)移到水平讀出寄存器，直至暫存區(qū)最上面一行中的信號電荷進入讀出寄存器中。（3）已進入讀出寄存器的信號電荷，在相當于行正程期間，由水平時鐘驅(qū)動、下快速地一行接一行將一行內(nèi)的電荷包一個個讀出，在輸出極上得到視頻信號。由于行間結構多采用二相或四相電極結構，因此隔行掃描容易實現(xiàn)，只需讓和相分別擔任奇偶場積分就可以了。3．幀行間轉(zhuǎn)移（FIT）結構6.4.3兩種面型結構成像器件的比較//1．分辨率

對于像敏單元中心距相同的CCD來說，行間轉(zhuǎn)移(ILT)比幀轉(zhuǎn)移(FT)具有更高的水平分辨率和MTF。

其中，f——像空間頻率；——CCD空間頻率；l——像敏元中心距；d——像敏元直徑。

因為IT的像敏區(qū)在水平方向上縮小了，在l相同的情況下，d越小，MTF越大，IT結構的像敏尺寸比幀轉(zhuǎn)移的尺寸小一半。265×180133×9066×4533×22分辨率不同的圖象比較2．響應率幀轉(zhuǎn)移結構與行間轉(zhuǎn)移結構兩者的光敏面積占芯片面積的比例大致相等。在幀轉(zhuǎn)移器件中，光敏元在一場的周期內(nèi)積分。不過，前者的積分在整個單元面積上進行，而后者每一場只在單元面積的一半進行積分，因此總的響應率對于二者基本上是一致的。

3．拖影問題行間轉(zhuǎn)移結構在積分期結束后只需一次轉(zhuǎn)移就進入垂直移位寄存器進行讀出。可見，總的轉(zhuǎn)移次數(shù)較少，拖影效應不嚴重。而幀轉(zhuǎn)移結構轉(zhuǎn)移次數(shù)較多才使光信號電荷全部進入暫存區(qū)，這個過程拖影較嚴重。

兩種結構的熱噪聲基本上是相同的，但固定圖案噪聲，行間轉(zhuǎn)移器件要小些。

在單片式彩色電視攝象機中，多采用行間轉(zhuǎn)移器件。這就可以使用芯片尺寸較小的行間轉(zhuǎn)移器件。前面已述小型器件的優(yōu)點較多，也是當前技術發(fā)展的趨勢。

兩種都可以正面光照攝象，但幀轉(zhuǎn)移結構襯底可以減薄，還能從背面光照攝象，在低照度攝象上獲得廣泛應用，特別是可以構成EB-CCD，在微光下工作。行間轉(zhuǎn)移器件則不宜背照工作方式。6．光照方式5．在彩色電視攝象機中的應用4．噪聲問題6.4.4掃描方式與讀出轉(zhuǎn)移動作

電視系統(tǒng)傳輸圖像是按照一定的掃描方式進行的。掃描方式主要有兩種：現(xiàn)行電視機所使用的跳躍掃描，和計算機或下一代電視機所使用的順序掃描。跳躍掃描也稱為隔行掃描，是將奇數(shù)行與偶數(shù)行分為不同的場進行掃描，再將兩場合成一幀的掃描方式，如圖6-20(a)。順序掃描也稱為逐行掃描，一次將一幀的所有行掃描出來，由于CCD圖像傳感器，要求與圖像信號同步輸出信號，因此需要配合以上掃描方式設計動作。在此，以行間轉(zhuǎn)移結構為例，說明掃描的動作讀出方式。

圖6-20隔行掃描與順序掃描方式1．幀讀出方式2.場讀出方式結構的共同特征是：垂直CCD（以圖例為四相CCD）反復間距（pitch）為一個單元（cell）橫跨兩個像素，每兩個像素只配置一個垂直CCD（四相）反復單元。該結構有利于像素大小的小型化。若為NTSC制式，幀讀出各像素的儲存時間為1/30s（依據(jù)各國制式而有不同），且每兩鄰的兩場的儲存時間有1/60秒的重疊，場讀出方式中，所有像素均由每個場讀出，儲存時間為1/60秒。由于儲存時間的差異大，幀讀出的儲存時間較長，容易發(fā)生動態(tài)分辨率的下降。相反地，場讀出由于垂直CCD中上下相連的像素信號電荷，導致垂直分辨率下降。3．全像素讀出71將所有的像素同時讀出，由于轉(zhuǎn)移與讀出時信號不混合，與幀讀出同樣具有相當高的垂直分辨率，而且擁有動態(tài)分辨率不易下降的優(yōu)點，主要支持逐行掃描的讀出方式，也可支持隔行掃描。與幀讀出和場讀出方式不同，全像素讀出方式的每個像素需要垂直CCD的一個單元，垂直CCD使用三相CCD。因此，垂直CCD的單元尺寸變小，可轉(zhuǎn)移的信號電荷減小，存在著代表圖像傳感器最大信號輸出的飽和信號變小的傾向，感光度也減半。幀讀出、場讀出與全像素讀出的特征74CCD像元結構

ITCCD像元ITCCD截面圖ITCCD像元結構75新型的CCD結構PIACCD

八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD大，將像素旋轉(zhuǎn)45°排列的結果是可以縮小對圖像拍攝無用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。傳統(tǒng)方形結構八邊形結構762、八邊形結構布局彩色CCD的組成結構分圖CCD的三層結構：上：增光鏡片、中：色塊網(wǎng)格下：感應線路由微型鏡頭、馬賽克分色網(wǎng)格，及墊于最底層的電子線路矩陣所組成6.5、彩色CCD成像器件彩色CCD運行圖彩色CCD運行圖說明是1980年初，由SONY領先發(fā)展出來的技術。這是為了有效提升CCD的總畫素，又要確保單一畫素持續(xù)縮小以維持CCD的標準體積。因此，必須擴展單一畫素的受光面積。但利用提高開口率來增加受光面積，反而使畫質(zhì)變差。所以，開口率只能提升到一定的極限，否則CCD將成為劣品。為改善這個問題SONY率先在每一感光二極管上（單一畫素）裝置微小鏡片。這個設計就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，感光面積不再因為傳感器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。如此一來，可以同時兼顧單一畫素的大小，又可在規(guī)格上提高了開口率，使感光度大幅提升。彩色CCD混色（RGB色）原理CCD的第二層是『分色濾色片』，這個部份的作用主要是幫助CCD具備色彩辨識的能力。回到源頭，CCD本身僅是光與電感應器，透過分色濾片，CCD可以分開感應不同光線的『成分』，從而在最后影響處理器還原回原始色彩。彩色CCD的原色原理目前CCD有兩種分色方式：一是RGB原色分色法，另一個則是CMYG補色分色法，這兩種方法各有利弊，過去原色和補色CCD的產(chǎn)量比例約在2：1左右，2003年后由于影像處理引擎的技術和效率進步，目前超過80％都是原色CCD的天下。

彩色CCD的補色原理補色CCD由多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細，但卻犧牲了部分影像分辨率，而在ISO值上，補色CCD可以容忍較高的感度，一般都可設定在800以上。彩色CCD的感光層這層主要是負責將穿透濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電訊號，并將訊號傳送到影像處理芯片，將影像還原。這個部份可以說是CCD真正核心的部份，主要的CCD設計大致上分成幾個區(qū)塊。被稱為畫素Pixel（Photodiodes）感光二極管，主要是應用于光線感應部份，Gate區(qū)有一部份被用作電子快門，藍色區(qū)塊則是布局為電荷通路，用來傳導電荷之用。白色區(qū)塊就是ChargeDrain，也有稱為ShieldedShiftRegisters，中文或可翻為電荷儲存區(qū)，主要功用為收集經(jīng)二極管照射光線后所產(chǎn)生之電荷。FoveonX3傳感器6.6CMOS型成像器件的象素構造CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）型固體攝像器件是早期開發(fā)的一類器件，利用了CMOS集成電路的工藝來制作，與大規(guī)模集成電路工藝兼容，獲得了極大的發(fā)展。由于制造工藝技術的進展，特別是固定圖像噪聲消除電路的采用以及結構的改進，使得它在當前的單片式彩色攝像機中得到了廣泛應用。各種規(guī)格的CMOS型攝像器件及攝像機商品已問世，實際上它已成為CCD攝像器件的一個有力的競爭者。結構:根據(jù)象素上電路復雜程度不同，CMOS成像器件結構型式有兩類：無源象素（PassivePixelSensor,PPS）及有源象素（ActivePixelSensor,APS）結構形式。按照感光元來區(qū)分，又有光電二極管感光和MOS感光元。目前實用化的圖像器件是有源象素。下面主要闡述這個結構的CMOS成像器件。APS器件的象素結構有以下幾種：PN結光電二極管方式、光電門(photogate)+FD方式、掩埋型光電二極管+FD方式。CMOS成像器件的原理結構

CMOS成像器件的組成

CMOS成像器件的組成原理框圖如圖所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列由光電二極管陣列構成。

如圖中所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進行選擇；輸出信號送A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號輸出。

圖像信號的輸出過程可由圖像傳感器陣列原理圖說明。在Y方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開關（圖中標志的Si,j），信號將通過行開關傳送到列線上，再通過X方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制，輸送到放大器。

1)開始儲存,PN結無電荷,此時行復位線為低電平;2)PN結進行光電信號的積累,其電壓被放大晶體管放大;

行選擇線為高,把電壓加到列選擇線上,列線水平移位緩存器作用下,依次移出;3)行復位線為高電平,把電荷抽走了.4)行復位線然后又為低電平.回到1).6.6.1PN結光電二極管方式6.6.2光電門+FD方式1）Tx為低電平，行復位線為低電平，光照射到MOS二極管上，光電荷積累在MOS的勢阱中，進行光電信號積累。

2）在光電信號積累的同時，進行上一幀積累信號的讀出。行選擇線為高電平，該行的信號電壓通過放大晶體管放大，加在該行的負載晶體管上，然后水平移位緩存器依次開啟，把該行的信號電壓輸出。

3）該行信號輸出完畢后，待該行的儲存時間到了，行復位線為高脈沖電平，把上一幀積累在FD處的信號電荷抽走到電源VDD中去，。

4）把行復位線為低電平，準備接受新的電荷包。

5）Tx為高電平，把積累在MOS二極管的信號電荷包轉(zhuǎn)移到FD中。轉(zhuǎn)移完成后，Tx變?yōu)榈碗娖?，準備進行新一幀的信號積累，回到1）的狀態(tài)。6.6.3掩埋型光電二極管+FD方式1）行讀出線為低電平，行復位線為低電平，光照射到PN二極管上，光電荷積累在PN的勢阱中，進行光電信號積累。

2）在光電信號積累的同時，進行上一幀積累信號的讀出。行選擇線為高電平，該行的信號電壓通過放大晶體管放大，加在該行的負載晶體管上，然后水平移位緩存器依次開啟，把該行的信號電壓輸出。

3）該行信號輸出完畢后，待該行的儲存時間到之前，行復位線為高脈沖電平，把上一幀積累在FD處的信號電荷抽走到電源VDD中去，。

4）把行復位線為低電平，準備接受新的電荷包。

5）行讀出線為高電平，把積累在MOS二極管的信號電荷包轉(zhuǎn)移到FD中。轉(zhuǎn)移完成后，行讀出線變?yōu)榈碗娖?，準備進行新一幀的信號積累，回到1）的狀態(tài)。各像素構造的特征比較從感光產(chǎn)生信號的基本動作來看，CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相同，但是從攝影面配置的像素取出信號的方式與構造來看，兩者卻有很大的差異。CCD使用與LSI相差甚遠的制造工藝，CMOS圖像傳感器的制造則是基于CMOSLSI制造工藝。若考慮相同的用途，感光度或噪聲等影響畫質(zhì)的因素成為大家最感興趣的內(nèi)容。本節(jié)將CMOS與CCD圖像傳感器比較，同時介紹CMOS圖像傳感器的特征。6.8CMOS與CCD圖像器件的比較1.動作方式與構造的差異CCD圖像傳感器，入射光產(chǎn)生的信號電荷不經(jīng)過放大，直接利用CCD具有的轉(zhuǎn)移功能運送到輸出電路，在輸出電路放大信號電壓輸出。CMOS圖像傳感器是通過使各像素具有放大功能的電路將光電轉(zhuǎn)換的信號電荷放大，然后各像素再利用XY地址方式進行選擇，取出信號電壓或電流。CCD圖像傳感器直接傳送信號電荷，容易受到漏光噪聲的影響，CMOS圖像傳感器則在像素內(nèi)放大信號電荷，所以不易在信號傳達路徑中受到噪聲的影響。CCD圖像傳感器只能將信號依照像素的排列順序輸出.由于CMOS圖像傳感器的各像素的信號利用選擇的方式取出，取出的順序易改變，具有較高的掃描自由度。CMOS圖像傳感器則與開關與像素排列無關，容易控制。像素的構造也必然有所差異.

CCD圖像傳感器的像素構造，從功能來看，是由進行光電轉(zhuǎn)換、儲存信號電荷的光電二極管、將信號電荷送至垂直CCD的讀出柵極，以及轉(zhuǎn)移信號電荷的垂直CCD所構成，彼此間不分離地電性連續(xù)形成。CMOS圖像傳感器是由光電二極管與接收放大、選擇與復位的MOS晶體管等個別的元件所構成，各自擁有功能的元件，可以在像素內(nèi)絕緣分離而利用配線進行連接，并可使用與CMOSLSI相同的電路符號表示像素的構造。2．CCD與CMOS圖像器件的特性比較3．制造過程與片上系統(tǒng)由于CMOS圖像傳感器的制造工藝是基于CMOSLSI制造工藝，因此不需要改變制造工藝，易于在同一芯片上裝入圖像傳感器外的其他功能。用于圖像傳感器的片上系統(tǒng)(systemonchip)，可裝入照相機信號處理或是圖像處理的功能。由于CCD圖像傳感器采用不同于CMOSLSI制造工藝形成，難以裝入CMOS電路，一般認為CMOS圖像傳感器具有可拓寬應用范圍的優(yōu)勢。也許不能說是相互對照，但在這里同樣采用連續(xù)掃描方式CCD圖像傳感器取1／4型33萬像素，CMOS圖像傳感器則取1／3型33萬像素。

4．電源由于CCD圖像傳感器對垂直CCD和水平CCD的電容群，以較大的電壓振幅驅(qū)動，而且在FD放大器上必須施加較高的電源電壓，因此消耗電力大.CMOS圖像傳感器在這一點有它的優(yōu)勢。如果只關注電源方面，CMOS圖像傳感器必然比CCD圖像傳感器便于使用。5．儲存的同時性CCD圖像傳感器將同一時期內(nèi)入射光