本文介紹了三種 CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器體係結構的特點
、優點和缺點，涉及全幀（FF）、幀傳輸（FT）和行間傳輸（IT）三種 CCD 的架構。

 

全幀（Full-Frame）CCD

半導體區域既可以作為光電元件，也可以作為電荷轉移器件
，這有點違反直覺，但這正是 FF CCD 中發生的事情。在集成過程中
，像素位置響應入射光子積累電荷，在集成之後，電荷包垂直地通過像素位置向水平移位寄存器移動。

 

一般情況下
，我們通過應用精心定時的時鍾信號來獲得 CCD 像素數據，這些時鍾信號依次在器件的電荷傳輸結構中產生電位阱和電位屏障。在全幀 CCD 中，我們需要能夠將這些控製電壓應用到同樣起光電探測器作用的區域
，因此
，柵極電極由透明多晶矽製成。

 

全幀 CCD 相對而言比較簡單且易於製造
，並且它們允許整個 CCD 表麵具有光敏性。這使矽的給定區域中可以包含的像素數量最大化，同時也使每個像素中實際上能夠將光子轉換為電子的部分最大化。

 

然而

，一個主要的限製是需要一個機械快門（或一個同步的、短時間的光源稱為頻閃）。CCD 的光激活區並不會因為你已經決定是時候執行讀出而停止光激活。如果沒有在曝光周期完成後阻擋入射光的機械快門，則在（有意）集成期間生成的電荷包將被讀出期間到達的光損壞。

幀傳輸（Frame-Transfer）CCD

一般來說
，我們更喜歡用電子方式控製曝光，快門（像任何其他快速移動的高精度機械設備一樣）使設計更加複雜，最終產品更加昂貴，整個係統更容易出現故障。在電池供電的應用中，驅動物理物體所需的額外能量也是不可取的。

 

FT-CCD 允許我們保持 FF-CCD 的一些優點，同時（幾乎）不需要快門。這是通過將 FF CCD 分成兩個大小相等的部分來實現的。其中一個部分是普通的光敏成像陣列，另一個部分是屏蔽入射光的存儲陣列。

 

在(zai)集(ji)成(cheng)之(zhi)後(hou)，用(yong)於(yu)所(suo)有(you)像(xiang)素(su)的(de)電(dian)荷(he)包(bao)被(bei)快(kuai)速(su)地(di)傳(chuan)輸(shu)到(dao)存(cun)儲(chu)陣(zhen)列(lie)
，然(ran)後(hou)在(zai)存(cun)儲(chu)陣(zhen)列(lie)中(zhong)發(fa)生(sheng)讀(du)出(chu)。當(dang)讀(du)取(qu)存(cun)儲(chu)位(wei)置(zhi)時(shi)，活(huo)動(dong)像(xiang)素(su)可(ke)以(yi)為(wei)下(xia)一(yi)圖(tu)像(xiang)累(lei)積(ji)電(dian)荷(he)
，這(zhe)使(shi)得(de)幀(zhen)傳(chuan)輸(shu) CCD 能夠獲得比全幀 CCD 更高的幀速率。

 

說 FT 架jia構gou幾ji乎hu消xiao除chu了le快kuai門men，因yin為wei無wu快kuai門men設she計ji會hui遇yu到dao一yi個ge稱cheng為wei垂chui直zhi塗tu抹mo的de問wen題ti。電dian荷he包bao從cong活huo動dong像xiang素su到dao存cun儲chu位wei置zhi的de傳chuan輸shu很hen快kuai
，但dan不bu是shi瞬shun間jian發fa生sheng的de，因yin此ci在zai垂chui直zhi傳chuan輸shu期qi間jian到dao達da傳chuan感gan器qi的de光guang可ke以yi改gai變bian圖tu像xiang信xin息xi。

 

FT 架構的主要缺點是成本較高，並且相對於圖像質量而言麵積增大，因為基本上是使用 FF 傳感器，然後將像素數減少兩倍。

 

幀傳輸 CCD 在全幀架構中增加了一個存儲陣列

 

線間傳輸（Interline-Transfer）CCD

我們需要的最後一個主要的架構改進是將集成電荷快速轉移到存儲區域

，從而將汙跡降低到可以忽略的程度。線間傳輸 CCD 通過提供與每個光活動位置相鄰的存儲（和傳輸）區域的網絡來實現這一點。曝光完成後，傳感器中的每個電荷包同時傳輸到非光敏垂直移位寄存器中。

 

因此
，它的 CCD 能夠以最小的拖影實現電子快門，並且像 FT-ccd 一yi樣yang，它ta們men可ke以yi在zai讀du出chu期qi間jian集ji成cheng
，從cong而er保bao持chi較jiao高gao的de幀zhen速su率lv能neng力li。然ran而er，如ru果guo光guang生sheng電dian荷he在zai讀du出chu過guo程cheng中zhong從cong光guang活huo性xing柱zhu泄xie漏lou到dao相xiang鄰lin的de垂chui直zhi移yi位wei寄ji存cun器qi中zhong，則ze可ke能neng發fa生sheng一yi些xie塗tu抹mo。如ru果guo應ying用yong程cheng序xu不bu需xu要yao高gao幀zhen速su率lv
，則ze可ke以yi通tong過guo延yan遲chi積ji分fen直zhi到dao讀du出chu完wan成cheng來lai消xiao除chu此ci問wen題ti。

 

線間 CCD 不需要幀傳輸 CCD 中使用的大存儲部分
，但它們引入了一個新的缺點：傳(chuan)感(gan)器(qi)成(cheng)為(wei)將(jiang)光(guang)子(zi)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)子(zi)的(de)效(xiao)率(lv)較(jiao)低(di)的(de)手(shou)段(duan)，因(yin)為(wei)每(mei)個(ge)像(xiang)素(su)位(wei)置(zhi)現(xian)在(zai)都(dou)由(you)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)和(he)垂(chui)直(zhi)移(yi)位(wei)寄(ji)存(cun)器(qi)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)組(zu)成(cheng)。換(huan)言(yan)之(zhi)，部(bu)分(fen)像(xiang)素(su)對(dui)光(guang)不(bu)敏(min)感(gan)，因(yin)此(ci)相(xiang)對(dui)於(yu)落(luo)在(zai)像(xiang)素(su)區(qu)域(yu)上(shang)的(de)光(guang)的(de)量(liang)產(chan)生(sheng)較(jiao)少(shao)的(de)電(dian)荷(he)。這(zhe)種(zhong)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)損(sun)失(shi)通(tong)過(guo)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)添(tian)加(jia)將(jiang)入(ru)射(she)光(guang)集(ji)中(zhong)到(dao)每(mei)個(ge)像(xiang)素(su)的(de)光(guang)活(huo)動(dong)區(qu)域(yu)的(de)微(wei)小(xiao)透(tou)鏡(jing)而(er)大(da)大(da)減(jian)輕(qing)
，但(dan)是(shi)這(zhe)些(xie)“微透鏡”有其自身的一係列困難。

 

 

 

在行間傳輸架構中，存儲（和垂直傳輸）區域位於光活性柱之間。

 

結論

希望這篇文章能幫助理解在設計 CCD 圖像傳感器時所涉及的權衡。全幀 CCD 可能看起來是最“原始”的類型，但它們仍然是不需要高幀速率的係統中的首選
，並且可以容忍閃光燈或機械快門的使用。幀傳輸 CCD 和線間傳輸 CCD 具有更多的用途

，在某些應用中具有關鍵的優勢。