CCD图像传感器工作原理详解

"本文主要介绍了面型CCD图像传感器的基本原理和工作流程，包括电荷的产生、收集、存储和传输以及电荷的检测。CCD作为一种关键的图像采集和数字化处理器件，由感光区、信号存储区和输出转移部分组成，广泛应用于多个领域。" CCD（Charge Coupled Devices）是一种重要的光电器件，由W.S.Boyle和G.E.Smith在1970年发明，因其光电转换、信息存储、延时和顺序传送等功能而备受瞩目。面型CCD图像传感器通常包含感光区、信号存储区和输出转移部分。其中，感光区是由MOS电容器组成的，这些电容器能够通过内光电效应（光生伏特效应）将入射光信号转换为电荷。 CCD的工作过程分为四个步骤： 1. 电荷的产生：当光子照射到半导体材料上，会激发出电子，形成光生电子，这些电子就是信号电荷。 2. 信号电荷的收集：在MOS电容器中，通过设置适当的电场，形成势阱，收集光生电子，形成信号电荷包。 3. 信号电荷的存储与传输：信号电荷包被存储在势阱中，通过改变电场，可将电荷包从一个像素转移到下一个像素，这一过程称为电荷的耦合。 4. 信号电荷的检测：最后，信号电荷被转移到输出级，通过电流输出、浮置栅放大器输出或浮置扩散放大器输出等不同方式转化为可读取的电信号，完成图像信息的数字化。 面型CCD图像传感器的结构形式多样，图(a)所示的结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成，但这种结构可能造成图像模糊。为提高图像质量，通常需要优化设计以减少这种现象。 在实际应用中，CCD被广泛应用于各种领域，如科学研究、教育、医学成像、商业摄影、工业检测、军事侦察以及消费电子，如数码相机和摄像机等。其集成度高、功耗低的特点使其在图像传感器市场上占据了重要地位。