50年前發(fā)明的CCD圖像傳感器工作原理圖解

1969年，沃勒德?保爾(Willard Boyle)與喬治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)于美國(guó)電報(bào)電話公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室(AT&T Bell Labs)發(fā)明了電荷耦合組件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把記述CCD發(fā)明的技術(shù)文章提交到《貝爾系統(tǒng)技術(shù)期刊》(Bell System Technical Journal)。他們開(kāi)發(fā)CCD的原意是把它用于建構(gòu)內(nèi)存裝置。不過(guò)，保爾和史密斯1970年的研究出版后，其它科研人員開(kāi)始把有關(guān)技術(shù)試作于其它方面的應(yīng)用。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)CCD具有相較攝影膠片高100倍的感光能力，因而可以用于拍攝高分辨率的遙距圖像。

Teledyne e2v CCD47-20 背照13.3 μm 像素1024 x 1024傳感器

CCD是一個(gè)具有極高靈敏度的光子傳感器。一個(gè)CCD 會(huì)被分割成大量微小光敏單元(就是我們常說(shuō)的像素)，以便用于整合成目標(biāo)畫(huà)面。一個(gè)光子來(lái)到某個(gè)像素的范圍時(shí)，便會(huì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)(或多個(gè))電子，而收集到的電子數(shù)量會(huì)與每個(gè)像素接收的光線強(qiáng)度成正比例。當(dāng)CCD時(shí)鐘輸出時(shí)，每個(gè)像素內(nèi)的電子數(shù)目便會(huì)被測(cè)量出來(lái)，以用于重建畫(huà)面。

在集成級(jí)，電荷通過(guò)電子云或電子斗采集到偏置電極。每個(gè)像素需要最少兩個(gè)電極用于控制這一電荷采集，不過(guò)科學(xué)設(shè)備一般會(huì)使用四個(gè)電極以便于優(yōu)化尖峰信號(hào)。

在這區(qū)域里，電荷會(huì)與一個(gè)正向施加電壓一同采集。在具體工作中，電荷儲(chǔ)存于掩埋通道部分以避免與表面有接觸，而各個(gè)通道‘行’之間則有通道阻絕層作分隔。上圖顯示了單個(gè)CCD像素的結(jié)構(gòu)。大量的像素組合起來(lái)，便構(gòu)成一個(gè)成像設(shè)備，例如Teledyne e2v 的CCD290便具有8100萬(wàn)像素。下圖顯示的是一個(gè)3x3的像素陣列。

用于控制CCD內(nèi)電子活動(dòng)的電極或門是以多晶硅(而不是金屬)制成，它的透明度能夠讓400 nm左右波長(zhǎng)的光線通過(guò)。由于所有像素都是一致而且通過(guò)同一端口讀出，所以能夠提供質(zhì)量均一的圖像。

在大多數(shù)的CCD里，每個(gè)像素里的電極經(jīng)配置，電荷會(huì)沿著通道‘行’向下轉(zhuǎn)移。因此，當(dāng)CCD時(shí)鐘工作時(shí)，各個(gè)列會(huì)向下轉(zhuǎn)移到最后一行(即讀出記錄器)，然后把每一像素的電荷轉(zhuǎn)移到CCD外部以便于測(cè)量。而在讀出記錄器里的電極經(jīng)配置，電荷會(huì)以水平方向在記錄器內(nèi)轉(zhuǎn)移。

電荷從被采集到讀出，它是以每次一個(gè)電荷包的形式傳送到一個(gè)輸出放大器，在那里電荷會(huì)轉(zhuǎn)換為電壓。在讀出工作進(jìn)行時(shí)，電極會(huì)在高電壓和低電壓之間交換偏置，以便于電荷沿著陣列向下轉(zhuǎn)移。

下圖顯示單個(gè)轉(zhuǎn)移步驟的工作原理。在一個(gè)4相位架構(gòu)里，要把一個(gè)像素沿著陣列傳送到底部，便要進(jìn)行4次轉(zhuǎn)移。

在某個(gè)相位的圖像范圍內(nèi)的所有電極都是互連的，所以要把電荷傳送到圖像范圍底部的讀出記錄器，只需要4個(gè)時(shí)鐘。每次只有一行電荷轉(zhuǎn)移到讀出記錄器。然后讀出記錄器會(huì)以相同的時(shí)鐘，每次讀出一個(gè)像素到輸出節(jié)點(diǎn)，把電荷轉(zhuǎn)為電壓。下圖顯示了一個(gè)4x4像素三相位器件的工作原理：

由于整個(gè)陣列是通過(guò)單個(gè)放大器進(jìn)行閱讀，因而可以高度優(yōu)化輸出，盡可能減小噪聲并實(shí)現(xiàn)極高的動(dòng)態(tài)范圍。一般的CCD可以提供100dB 的動(dòng)態(tài)范圍以及小于2e的噪聲。

 一部CCD相機(jī)或儀器一般包含一個(gè)CCD芯片以及相關(guān)電子器件，這些相關(guān)器件是用于放大CCD上的小電壓、移除噪聲、數(shù)字化像素?cái)?shù)值，以及把每個(gè)像素的數(shù)值輸出到外部，例如是處理器。CCD是一個(gè)模擬器件，而模擬電壓數(shù)值會(huì)由相機(jī)的電子部件轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。

Teledyne成像的傳感器的功能涵蓋從X光到超長(zhǎng)波紅外線的整個(gè)光譜范圍

硬X光/軟X光/真空紫外線/紫外線/可見(jiàn)光/短波紅外線/中波紅外線/長(zhǎng)波紅外線/超長(zhǎng)波紅外線

硅/InAs/GaSb (T2SL)/HgCdTe (MCT)/去基板HgCdTe (MCT)/InSb/InGaAs/鍺(GE)/InAs/PbS/PbSe/SiAs/VOx

Teledyne e2v可以提供多種成像工程元素周期表上的復(fù)合半導(dǎo)體材料，依照應(yīng)用需求提供合適技術(shù)解決方案。其具備的各種圖像傳感器技術(shù)，包括從CCD、CMOS，到混合紅外ROIC數(shù)組和微測(cè)輻射熱計(jì)，以及更多其它技術(shù)。

量子效率

CCD能夠測(cè)得的光子百分比被稱為量子效率(Quantum Effciency，QE)。人類肉眼的QE大約是20%，攝影膠片的QE則是10%左右。而現(xiàn)代的CCD能夠?qū)崿F(xiàn)大于90%的QE。量子效率會(huì)因波長(zhǎng)而有差異，而通過(guò)諸如背薄(backthinning)、 背照 (back-illumination)、反眩光涂層和高阻硅等各種創(chuàng)新，可以使CCD的量子效率涵蓋到各種波長(zhǎng)。

波長(zhǎng)范圍

CCD的波長(zhǎng)范圍可以從0.1nm (軟X光) 到 400 nm (藍(lán)色可見(jiàn)光)，甚至達(dá)到1000 nm (近紅外線)，而尖峰靈敏度可達(dá)到700 nm左右。利用背照可以實(shí)現(xiàn)較短的X光和紫外光波長(zhǎng)檢測(cè)，而低噪聲和高阻硅技術(shù)則有助于提高對(duì)較長(zhǎng)的近紅外線波長(zhǎng)的靈敏度。

動(dòng)態(tài)范圍

能夠正確讀出同一圖像的光亮和模糊來(lái)源，是測(cè)量器的一個(gè)非常有用的特點(diǎn)。測(cè)量器準(zhǔn)確讀出圖像內(nèi)最光亮和最模糊來(lái)源二者之間的差異被稱為動(dòng)態(tài)范圍。

當(dāng)光線來(lái)到CCD上，光子會(huì)轉(zhuǎn)換成電子。CCD的動(dòng)態(tài)范圍一般是以可成像的最小和最大電子數(shù)目為量度單位。落可CCD上的光線越多，在電位井(p-井)內(nèi)收集到的電子數(shù)目也就越多。當(dāng)電位井無(wú)法再接收更多的電子時(shí)，意味著像素達(dá)到飽和狀態(tài)。在典型的科學(xué)用CCD，這情況大約會(huì)在150,000個(gè)電子時(shí)發(fā)生。

可測(cè)量的最小信號(hào)單位不一定是一個(gè)電子(相等于可見(jiàn)波長(zhǎng)的一個(gè)光子)。具體來(lái)說(shuō)，最小電子噪聲一般是與CCD實(shí)體結(jié)構(gòu)相關(guān)，最小大約是每像素2至4個(gè)電子。所以可測(cè)量的最小信號(hào)是由這讀出噪聲來(lái)決定。單電子或電子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，EMCCD) 都是經(jīng)設(shè)計(jì)用于高靈敏度測(cè)量的超低噪聲傳感器，可以量度出小至數(shù)個(gè)光子或電子的信號(hào)。

線性度

測(cè)量器的另一重要考慮是對(duì)它所見(jiàn)的任何圖像的線性響應(yīng)能力。如果CCD測(cè)出100個(gè)光子，它便會(huì)把它們轉(zhuǎn)換為100個(gè)電子(假設(shè)QE為100%)。在這一狀況下，測(cè)量器有一個(gè)線性響應(yīng)。線性響應(yīng)的用處在于無(wú)需對(duì)圖像進(jìn)行附加處理，便可以測(cè)定圖像上不同主體的真正和真實(shí)密度。

噪聲

CCD的噪聲表現(xiàn)取決于多個(gè)因素。

暗電流

暗電流是由溫度產(chǎn)生的噪聲。在室溫，CCD的噪聲表現(xiàn)可以是每像素每秒數(shù)千個(gè)電子。在這情形下，每個(gè)像素有機(jī)會(huì)在數(shù)秒間達(dá)到滿井容量，使得CCD飽和。

可以利用諸如珀耳帖冷凝器(Peltier cooler)甚至是致冷器(cryo-cooler)等系統(tǒng)來(lái)為檢測(cè)器降溫來(lái)解決暗電流問(wèn)題。在-40° C溫度下， CCD的噪聲表現(xiàn)可以降低到每像素每秒數(shù)十個(gè)電子。

讀出噪聲

讀出噪聲源于每個(gè)像素內(nèi)的電子在CCD輸出節(jié)點(diǎn)上轉(zhuǎn)換為電壓的工作。噪聲的幅度取決于輸出節(jié)點(diǎn)的大小。在減小CCD讀出噪聲方面已有一些技術(shù)進(jìn)步，而這一工作將繼續(xù)成為現(xiàn)在和未來(lái)CCD發(fā)展的重要部分。

讀出噪聲能影響動(dòng)態(tài)范圍，所以必需盡可能減小，這在微小能量檢測(cè)應(yīng)用方面至關(guān)重要。歐洲航天局(ESA)的 XMM-牛頓太空衛(wèi)星內(nèi)檢測(cè)X光能量中的光子就是一個(gè)例子。

功耗

CCD本身需要很小功耗。主要的功耗考慮來(lái)自操作CCD和處理圖像所需的電子器件。