Question

CCD摄像头的工作原理和结构

Answer 1

CCD的工作原理

CCD是由在硅片上整齐排列的光敏二极管单元组成的，它们整齐地排成一矩形方阵（图6-1），其中每一个光敏单元称为像元，当光照射到硅片上的方阵时， 每一个像元中的原子在具有一定能量的光子作用下，电子从原子中逃逸，形成了一对自由电子和失去电子的原子空穴。投射到光敏单元上的光线越强，产生的电子—空穴越多。

在硅片上这些电子可以和空穴分离，并可以收集起来，电子—空穴对的分离和收集用半导体中的势阱就可以完成，就象用水桶收集雨水一样。图6-2中排列的水桶相当于排列的光敏单元（像元），它们象收集雨水似的收集由光子作用产生的电子。电子数主要取决于光照强度和收集（积分）时间的长短，收集完成后，最右边的桶将桶中的电荷倒入一设在输出端的电子测量单元，电荷/电压转换单元将电子转换成相应的电压，形成了一个像元的视频信号。最右边桶中的电子倒空后，又可以接收从旁边桶中倒入的电子，这样相邻桶之间不断向输出端倒换（移位）桶中的电荷，直至倒换（移位）到输出端的电子测量单元，转换成像元电压。

CCD的突出特点是以电荷作为信号的载体，不同于大多数以电流、电压为信号载体的器件。所以如何将成千上万个像元中的光感应所获得的电荷取出来是CCD图像传感器的关键。构成CCD的基本单元是MOS（金属—氧化物—半导体）结构，在半导体和金属栅电极之间加上足够的电压时，例如加上电压（10V）后，形成了一个能存储电荷的势阱，图6-3 （a），当光线射在这个二极管上时，能在势阱中产生与光能量成正比的电荷；同时，这个势阱还有累积功能，当光线在一时间段内照射时，它能将这一时间段内，由光线强弱产生的电荷累积起来。当多个栅极紧紧排列在一起（间隙宽度小于3μm），并在它们上面加上按一定规律变化的电压时，存储在势阱中的电荷就可以移动起来。

当电极②从2V变为10V时，电极①势阱中的电荷流向第②个电极，并和第一个电极平均分配，图6-3（b）和（c），也称电荷耦合，第①个电极由10V降为2V时，电极①中的电荷全部倒入电极②下的势阱，这样电极①中代表像元光照强度的电荷移位到电极②下的势阱了。这种电荷从一个电极（电荷寄存器）到另一个电极的移位就是CCD的基本动作，使用这种移位将阵列中的每一个像元电荷逐行、逐列地转移至输出端的电荷/电压转换单元，形成了以电压表示像元光照强度的视频信号。这也是为什么将CCD称为电荷耦合器件的原因。

CCD的结构

CCD的结构主要由下列功能块构成：

a.光敏区（成像区）由MOS光积分电容或PN结构光电二极管阵列构成，将投影进来的光图像转换成电荷图像阵列，而且阵列中的每一个像元势阱，能像水桶似的在固定时间间隔内累加电荷。

b.电荷移位寄存器阵列：存储和移位像元电荷的寄存器阵列，光敏区光转换并累集完电荷后，将整个阵列的像元电荷转移到电荷移位寄存器的对应阵列中，然后按照电视扫描的规律，逐行、逐列地将电荷移位输出。

c.转移栅：光敏区和电荷移位寄存器由转移栅相连。通过转移栅上的控制电压的高低将光敏阵列与电荷移位寄存器阵列连接起来。当光敏区光注入，并不断积累电荷时（又称光积分），转移栅上加低电压将它们隔离起来，反之当光敏区光积累完成后，转移栅加高电压，光敏区所积累的信号电荷通过转移栅转移到电荷移位寄存器阵列，这种转移是极快的，只需一个极短的正脉冲就可完成转移动作。所以光敏区和电荷移位寄存区的连通时间很短，绝大部分时间是隔离的，在隔离期间它们分别作光电转换和移位输出的动作。

d.电荷/电压转换器和电压放大器：将移位寄存器输出的电荷转换成电压，并将其放大输出形成视频信号。

从上述CCD的结构可以看出，只要控制光敏区上的转移栅上的电压，就可以控制电荷累加的时间长短，这就是电子快门的基础。当电荷累集结束，并在转移栅上加一极短脉冲后，电荷就转移至电荷移位寄存器了，也就是CCD已获取了光图像。下面只是将电荷传送出去的扫描过程了。