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50年前发明的CCD图像传感器工作原理图解

时间:2020-03-18 阅读:
纪念CCD问世50年。1969年,沃勒德‧保尔(Willard Boyle)与乔治‧艾沃德‧史密斯(George E. Smith)于美国电报电话公司的贝尔实验室(AT&T Bell Labs)发明了电荷耦合组件(Charge Coupled Device,CCD)。CCD是一个具有极高灵敏度的光子传感器。

1969年,沃勒德‧保尔(Willard Boyle)与乔治‧艾沃德‧史密斯(George E. Smith)于美国电报电话公司的贝尔实验室(AT&T Bell Labs)发明了电荷耦合组件(Charge Coupled Device,CCD)。1970年,二人把记述CCD发明的技术文章提交到《贝尔系统技术期刊》(Bell System Technical Journal)。他们开发CCD的原意是把它用于建构内存装置。不过,保尔和史密斯1970年的研究出版后,其它科研人员开始把有关技术试作于其它方面的应用。天文学家发现CCD具有相较摄影胶片高100倍的感光能力,因而可以用于拍摄高分辨率的遥距图像。ZRGEETC-电子工程专辑

Teledyne e2v CCD47-20 背照13.3 µm 像素1024 x 1024传感器ZRGEETC-电子工程专辑

CCD是一个具有极高灵敏度的光子传感器。一个CCD 会被分割成大量微小光敏单元(就是我们常说的像素),以便用于整合成目标画面。一个光子来到某个像素的范围时,便会转换成一个(或多个)电子,而收集到的电子数量会与每个像素接收的光线强度成正比例。当CCD时钟输出时,每个像素内的电子数目便会被测量出来,以用于重建画面。ZRGEETC-电子工程专辑

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CCD阵列切面图ZRGEETC-电子工程专辑

在集成级,电荷通过电子云或电子斗采集到偏置电极。每个像素需要最少两个电极用于控制这一电荷采集,不过科学设备一般会使用四个电极以便于优化尖峰信号。ZRGEETC-电子工程专辑

在这区域里,电荷会与一个正向施加电压一同采集。在具体工作中,电荷储存于掩埋通道部分以避免与表面有接触,而各个通道‘行’之间则有通道阻绝层作分隔。上图显示了单个CCD像素的结构。大量的像素组合起来,便构成一个成像设备,例如Teledyne e2v 的CCD290便具有8100万像素。下图显示的是一个3x3的像素阵列。ZRGEETC-电子工程专辑

带电极和通道‘行’的CCD阵列切面图ZRGEETC-电子工程专辑

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用于控制CCD内电子活动的电极或门是以多晶硅(而不是金属)制成,它的透明度能够让400 nm左右波长的光线通过。由于所有像素都是一致而且通过同一端口读出,所以能够提供质量均一的图像。ZRGEETC-电子工程专辑

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读出

在大多数的CCD里,每个像素里的电极经配置,电荷会沿着通道‘行’向下转移。因此,当CCD时钟工作时,各个列会向下转移到最后一行(即读出记录器),然后把每一像素的电荷转移到CCD外部以便于测量。而在读出记录器里的电极经配置,电荷会以水平方向在记录器内转移。ZRGEETC-电子工程专辑

电荷从被采集到读出,它是以每次一个电荷包的形式传送到一个输出放大器,在那里电荷会转换为电压。在读出工作进行时,电极会在高电压和低电压之间交换偏置,以便于电荷沿着阵列向下转移。ZRGEETC-电子工程专辑

下图显示单个转移步骤的工作原理。在一个4相位架构里,要把一个像素沿着阵列传送到底部,便要进行4次转移。ZRGEETC-电子工程专辑

在某个相位的图像范围内的所有电极都是互连的,所以要把电荷传送到图像范围底部的读出记录器,只需要4个时钟。每次只有一行电荷转移到读出记录器。然后读出记录器会以相同的时钟,每次读出一个像素到输出节点,把电荷转为电压。下图显示了一个4x4像素三相位器件的工作原理:ZRGEETC-电子工程专辑

电荷转移原理ZRGEETC-电子工程专辑

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由于整个阵列是通过单个放大器进行阅读,因而可以高度优化输出,尽可能减小噪声并实现极高的动态范围。一般的CCD可以提供100dB 的动态范围以及小于2e的噪声。ZRGEETC-电子工程专辑

 一部CCD相机或仪器一般包含一个CCD芯片以及相关电子器件,这些相关器件是用于放大CCD上的小电压、移除噪声、数字化像素数值,以及把每个像素的数值输出到外部,例如是处理器。CCD是一个模拟器件,而模拟电压数值会由相机的电子部件转换为数字格式。ZRGEETC-电子工程专辑

 读出记录器ZRGEETC-电子工程专辑

Teledyne成像的传感器的功能涵盖从X光到超长波红外线的整个光谱范围ZRGEETC-电子工程专辑

硬X光/软X光/真空紫外线/紫外线/可见光/短波红外线/中波红外线/长波红外线/超长波红外线ZRGEETC-电子工程专辑

硅/InAs/GaSb (T2SL)/HgCdTe (MCT)/去基板HgCdTe (MCT)/InSb/InGaAs/锗(GE)/InAs/PbS/PbSe/SiAs/VOxZRGEETC-电子工程专辑

Teledyne e2v可以提供多种成像工程元素周期表上的复合半导体材料,依照应用需求提供合适技术解决方案。其具备的各种图像传感器技术,包括从CCD、CMOS,到混合红外ROIC数组和微测辐射热计,以及更多其它技术。ZRGEETC-电子工程专辑

主要CCD 参数

量子效率ZRGEETC-电子工程专辑

CCD能够测得的光子百分比被称为量子效率(Quantum Effciency,QE)。人类肉眼的QE大约是20%,摄影胶片的QE则是10%左右。而现代的CCD能够实现大于90%的QE。量子效率会因波长而有差异,而通过诸如背薄(backthinning)、 背照 (back-illumination)、反眩光涂层和高阻硅等各种创新,可以使CCD的量子效率涵盖到各种波长。ZRGEETC-电子工程专辑

波长范围ZRGEETC-电子工程专辑

CCD的波长范围可以从0.1nm (软X光) 到 400 nm (蓝色可见光),甚至达到1000 nm (近红外线),而尖峰灵敏度可达到700 nm左右。利用背照可以实现较短的X光和紫外光波长检测,而低噪声和高阻硅技术则有助于提高对较长的近红外线波长的灵敏度。ZRGEETC-电子工程专辑

动态范围ZRGEETC-电子工程专辑

能够正确读出同一图像的光亮和模糊来源,是测量器的一个非常有用的特点。测量器准确读出图像内最光亮和最模糊来源二者之间的差异被称为动态范围。ZRGEETC-电子工程专辑

当光线来到CCD上,光子会转换成电子。CCD的动态范围一般是以可成像的最小和最大电子数目为量度单位。落可CCD上的光线越多,在电位井(p-井)内收集到的电子数目也就越多。当电位井无法再接收更多的电子时,意味着像素达到饱和状态。在典型的科学用CCD,这情况大约会在150,000个电子时发生。ZRGEETC-电子工程专辑

可测量的最小信号单位不一定是一个电子(相等于可见波长的一个光子)。具体来说,最小电子噪声一般是与CCD实体结构相关,最小大约是每像素2至4个电子。所以可测量的最小信号是由这读出噪声来决定。单电子或电子倍增CCD(Electron Multiplication CCD,EMCCD) 都是经设计用于高灵敏度测量的超低噪声传感器,可以量度出小至数个光子或电子的信号。ZRGEETC-电子工程专辑

线性度ZRGEETC-电子工程专辑

测量器的另一重要考虑是对它所见的任何图像的线性响应能力。如果CCD测出100个光子,它便会把它们转换为100个电子(假设QE为100%)。在这一状况下,测量器有一个线性响应。线性响应的用处在于无需对图像进行附加处理,便可以测定图像上不同主体的真正和真实密度。ZRGEETC-电子工程专辑

噪声ZRGEETC-电子工程专辑

CCD的噪声表现取决于多个因素。ZRGEETC-电子工程专辑

暗电流ZRGEETC-电子工程专辑

暗电流是由温度产生的噪声。在室温,CCD的噪声表现可以是每像素每秒数千个电子。在这情形下,每个像素有机会在数秒间达到满井容量,使得CCD饱和。ZRGEETC-电子工程专辑

可以利用诸如珀耳帖冷凝器(Peltier cooler)甚至是致冷器(cryo-cooler)等系统来为检测器降温来解决暗电流问题。在-40° C温度下, CCD的噪声表现可以降低到每像素每秒数十个电子。ZRGEETC-电子工程专辑

读出噪声ZRGEETC-电子工程专辑

读出噪声源于每个像素内的电子在CCD输出节点上转换为电压的工作。噪声的幅度取决于输出节点的大小。在减小CCD读出噪声方面已有一些技术进步,而这一工作将继续成为现在和未来CCD发展的重要部分。ZRGEETC-电子工程专辑

读出噪声能影响动态范围,所以必需尽可能减小,这在微小能量检测应用方面至关重要。欧洲航天局(ESA)的 XMM-牛顿太空卫星内检测X光能量中的光子就是一个例子。ZRGEETC-电子工程专辑

功耗ZRGEETC-电子工程专辑

CCD本身需要很小功耗。主要的功耗考虑来自操作CCD和处理图像所需的电子器件。ZRGEETC-电子工程专辑

责编:Amy GuanZRGEETC-电子工程专辑

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