CCD（电荷耦合器件）架构的特点、优点和缺点
CCD（电荷耦合器件）架构的特点、优点和缺点
CCD（电荷耦合器件）是现代图像传感器的核心技术之一，广泛应用于数码相机、工业检测等领域。本文将深入探讨CCD的三种主要架构：全画幅CCD、帧传输CCD和行间传输CCD，分析它们的特点、优点和缺点。
全画幅CCD
全画幅CCD（Full Frame CCD）利用半导体区域的双重功能：既可以充当光敏元件，又可以充当电荷转移器件。在积分过程中，像素位置响应入射光子而积累电荷。积分后，电荷包通过像素位置垂直移动到水平移位寄存器。
通过应用精心定时的时钟信号，可以在器件的电荷传输结构中创建势阱和势垒，从而获取CCD像素数据。为了将这些控制电压应用到同时充当光电探测器的区域，栅电极采用透明多晶硅制成。
全画幅CCD具有以下特点：
- 相对简单且易于制造
- 允许整个CCD表面对光敏感
- 化了给定硅面积中可以包含的像素数量
- 化了每个像素实际上能够将光子转换成电子的部分
然而，全画幅CCD的主要限制是需要机械快门（或称为频闪灯的同步、短持续时间光源）。这是因为CCD的感光区域不会仅仅因为读出时间而停止感光。如果没有机械快门在曝光期完成后阻挡入射光，（有意）积分期间生成的电荷包将被读出期间到达的光破坏。
帧传输CCD
帧传输CCD（Frame Transfer CCD）通过将全画幅CCD分成两个相同大小的部分来解决快门问题：一个部分是正常的光敏成像阵列，另一个部分是屏蔽入射光的存储阵列。集成后，所有像素的电荷包被快速传输到存储阵列，然后在存储阵列中进行读出。当存储位置被读出时，活动像素可以为下一张图像积累电荷，这使得帧传输CCD能够实现比全帧CCD更高的帧速率。
虽然帧传输CCD几乎消除了对快门的需求，但仍存在以下问题：
- 无快门设计会遇到称为垂直拖尾的问题
- 成本较高
- 相对于图像质量而言面积增加
- 像素数量减少两倍
行间传输CCD
行间传输CCD（Interline Transfer CCD）通过提供与每个光敏位置相邻的存储（和传输）区域网络，实现了更快的电荷转移速度。曝光完成后，传感器中的每个电荷包都会同时传输到非光敏垂直移位寄存器中。
行间传输CCD具有以下特点：
- 实现电子快门且拖尾
- 保持较高的帧速率能力
- 如果在读出期间来自光活性列的光产生的电荷泄漏到相邻的垂直移位寄存器中，则可能会发生一些拖尾。如果应用程序不需要高帧速率，可以通过延迟积分直到读出完成来消除此问题。
然而，行间传输CCD也引入了一个新的缺点：传感器将光子转换为电子的效率较低，因为每个像素位置现在由一个光电二极管和一部分垂直移位寄存器组成。换句话说，像素的一部分对光不敏感，因此相对于落在像素区域上的光量而言，产生较少的电荷。通过在传感器中添加微型透镜，将入射光集中到每个像素的光敏区域，可以大大减轻这种灵敏度的损失，但这些“微透镜”有其自身的一系列困难。
在行间传输架构中，存储（和垂直传输）区域位于光敏柱之间。
结论
全画幅CCD可能看起来是“原始”的类型，但在不需要高帧速率且可以容忍使用频闪或机械快门的系统中，它们仍然是。帧传输CCD和行间传输CCD用途更加广泛，在某些应用中具有至关重要的优势。