CCD（電荷耦合設備）是高性能圖像傳感器。本文探討了不同類型的CCD，其工作原理，與CMOS傳感器的比較以及它們的優勢，缺點和應用方案。它還分析了CCD在高質量成像中的優勢和局限性，並解釋了為什麼它們在消費市場中逐漸被CMO逐漸取代。
目錄
1。什麼是CCD？
2。CCD傳感器的類型
3。CCD如何工作？
4。CCD與CMO：更好
5。CCD的優勢和缺點
6。CCD傳感器的應用
圖1：CCD傳感器
什麼是CCD？
CCD（電荷耦合設備）是一種圖像傳感器，主要用於將光學信號轉換為電信號，然後將其處理以形成圖像。由於其低噪聲，高信號純度和出色的光電轉換性能，因此在專業攝影，醫學成像，科學研究和工業檢查中廣泛使用。
CCD傳感器的類型
全畫幅CCD（FF-CCD）
圖2：全幀CCD結構圖
全幀CCD（FF-CCD）傳感器可在整個像素陣列中捕獲圖像，而沒有專用的存儲區域以進行電荷積累。結果，在整個曝光期間，所有像素都直接暴露於光線。由於像素在電荷傳輸前保持暴露，因此必須在轉移開始之前使用機械快門來阻止光，以防止運動模糊和圖像偽影。
全幀CCD的主要優點包括其出色的光靈敏度，圖像質量和動態範圍。缺乏掩蓋的像素可確保最大的收集效率，降低串擾和噪音，同時提高圖像質量。但是，其讀數速度相對較慢，並且使用機械快門會增加功耗。
幀轉移CCD（FT-CCD）
圖3：幀轉移CCD結構圖
幀轉移CCD（FT-CCD）集成了與像素數組相等的存儲區域，從而使電荷在捕穫後快速傳輸並讀取。這消除了對機械快門的需求，同時提高了成像效率。
它的優勢包括較高的幀速率，減少運動模糊和更大的可靠性。快速電荷轉移可防止讀數期間的額外接觸，增強圖像質量並減少機械組件的磨損。但是，由於部分芯片區域分配給存儲區域，因此降低了光敏度，製造成本更高。
Interline CCD（IL-CCD）
圖4：Interline CCD結構圖
Interline CCD（IL-CCD）結合了每一像素列之間的垂直傳輸通道，從而使電荷可以立即轉移到屏蔽的存儲區域。這可以實現電子快門功能，從而消除了對機械快門的需求。
IL-CCD具有電子快門支持，快速讀取功能和緊湊的設計，使其適合於大規模生產，尤其是在視頻應用中，在這些應用程序中，它有效地減少了運動偽像。但是，其光靈敏度較低，因為轉移通道佔據了光徵收區域的一部分，從而降低了量子效率。另外，由於像素結構的差異，固定圖案噪聲較高，這可能需要額外的信號處理以維持圖像均勻性。
反向灌輸的CCD（BI-CCD）
圖5：反向刷新的CCD圖
反灌輸的CCD（BI-CCD）通過翻轉矽晶片來提高量子效率（QE），從而使光直接到達光敏區域而無需穿過金屬互連層。傳統的CCD由於金屬層的吸收和散射引起的敏感性降低，而BI-CCD通過直接照亮敏感區域可顯著增強光反應。
BI-CCD具有最高的光靈敏度，量子效率幾乎是常規CCD的兩倍，使其特別適合弱光環境。此外，它們的低噪聲特徵使它們在科學和天文成像中特別有價值，同時還可以檢測更廣泛的光譜範圍，包括近紅外（NIR）和紫外線（UV）。但是，由於其複雜的製造過程，BI-CCD的生產成本更高和更脆弱的結構，需要額外的保護塗層。
CCD類型
特徵
全框CCD
沒有專用的讀數頻道，所有像素
用於成像。需要機械快門以防止信號
在曝光期間混合。
幀轉移CCD
有一個單獨的存儲區域，允許
暴露後圖像數據快速傳輸，提高讀數效率。
Interline CCD
使用Interline Mask結構，
支持電子快門，廣泛用於消費攝像機和視頻
裝置.
後刷的CCD
優化的光敏表面，
提高量子效率（QE），適用於諸如弱光環境
天文學和科學研究。
CCD如何工作？
圖6：CCD的內部結構
CCD的基本工作原理分為三個步驟： 光電轉換 → 充電轉移 → 信號讀數。
CCD傳感器的表面由許多微小的“光敏像素”組成，每個像素充當小的“輕能收集器”。當光（即光子）進入CCD傳感器時，它會擊中這些像素，從而導致其中的矽材料釋放電子（一種稱為光電效應的過程）。光越強，釋放電子就越多。
這些電子不會立即消散，而是暫時存儲在像素中，然後在類似於“電子中繼種族”的過程中轉移到傳感器的讀數區域。在CCD內部，一組特殊電極精確地控制了電場，使每個像素中的電子可以順序傳輸到相鄰的像素，並逐漸向傳感器的讀數端移動。您可以將其視為傳送帶，每個像素收集的電子都被“傳遞”到端點，而不會沿途而不會損失。逐行和列轉移方法可確保圖像信號的完整性，但也導致CCD傳感器的讀數速度相對較慢。
一旦電子到達CCD傳感器的讀數端，它們就會進入“轉換站”（放大器）。在這裡，電子被轉換為電壓信號，電壓幅度由存儲的電子數確定。電子越多，輸出電壓越高。然後，這些電壓信號通過模數轉換器（ADC）處理，將它們轉換為計算機可以解釋的數字信號（0s和1）。
在所有像素電子都已讀取和轉換後，CCD傳感器會生成完整的數字圖像。然後，該圖像通過相機或計算機處理，在該攝像機或計算機上，在將其顯示在屏幕上（最終照片或視頻）之前，可以在顏色調整和對比度優化。
CCD與CMO：哪個更好？
圖7：CCD與CMO
範圍
CCD
CMOS
功耗
高的
低的
圖像質量
高（低噪聲）
平均（更高的噪音）
讀數速度
慢的
快速地
製造成本
高的
低的
動態範圍
寬的
稍微狹窄
應用程序方案
專業攝影，
科學
研究，天文學，
醫學成像
消費者相機，監視，
聰明的
裝置
總體而言，CCD非常適合高端精度成像應用，因為它們的噪音低，圖像質量高和動態範圍廣泛。相比之下，由於成本較低，功耗較低和較高的速度，CMOS傳感器已成為主流市場中的首選選擇。
- CCD為什麼與CMO相比具有更好的圖像質量但速度較慢？
CCD傳感器以高精度讀取信號，因為每個像素的電荷通過相同的傳輸通道傳輸到放大器進行處理。這樣可以確保圖像均勻性並防止CMOS傳感器中可能發生的信號不一致。但是，由於CCD使用逐行傳輸方法，它的功能就像單車道高速公路一樣，所有車輛（費用）必須按順序到達目的地 - 以相對較慢的讀數速度來歸納。
相比之下，CMOS傳感器具有單個放大器和每個像素的讀數電路，使其可以並行操作。這意味著所有電荷都可以同時處理，儘管信號質量可能不像CCD那樣統一，但可以顯著提高讀數速度。
CCD的優點和缺點
優勢
✅ 低噪聲：模擬信號處理減少了固定圖案噪聲（FPN）。
✅ 高信噪比（SNR）： 能夠捕獲清潔圖像。
✅高動態範圍：適用於高端科學和醫學成像應用。
✅ 良好的像素均勻性：不會產生隨機的暗電流噪聲。
缺點
❌高功率消耗：需要高壓駕駛，使其比CMOS較低。
❌較慢的讀數速度：受分步電荷傳輸結構的限制，防止超高速度讀數。
❌成本更高：更複雜的製造過程，導致更高的生產成本。
❌較低的集成水平：與CMO不同，CCD不容易與諸如DSP處理之類的智能功能集成。
CCD傳感器的應用
•天文攝影： CCD傳感器用於望遠鏡中，以捕獲遙遠的天體物體的微弱光。
•醫學成像： 應用於X射線成像和顯微鏡，以確保清晰度和細節。
•工業檢查： 用於檢測微觀缺陷的精確測量儀器。
•專業攝影： 一些高端膜相機仍然使用CCD傳感器來更好地動態範圍和顏色繁殖。