全幀（Full-Frame）CCD

半導體區域(yu)既可以(yi)作為(wei)光電元件，也可以(yi)作為(wei)電荷(he)轉移器(qi)(qi)件，這(zhe)有點違(wei)反(fan)直覺，但這(zhe)正是 FF CCD 中(zhong)發生的事(shi)情。在集成過(guo)程中(zhong)，像素(su)(su)位置響應入射(she)光子積(ji)累電荷(he)，在集成之后(hou)，電荷(he)包垂直地通過(guo)像素(su)(su)位置向水(shui)平(ping)移位寄存器(qi)(qi)移動。

一般情況(kuang)下，我(wo)們通過應(ying)用精心定(ding)時的時鐘信號來獲得 CCD 像素數據，這些時鐘信號依(yi)次(ci)在器件的電(dian)荷傳輸結構中(zhong)(zhong)產生電(dian)位阱和(he)電(dian)位屏障。在全幀 CCD 中(zhong)(zhong)，我(wo)們需要能夠將這些控制電(dian)壓應(ying)用到同樣(yang)起光電(dian)探測器作用的區(qu)域，因此，柵(zha)極(ji)電(dian)極(ji)由透明多(duo)晶硅制成(cheng)。

全幀 CCD 相對而言比較(jiao)簡單且易于(yu)制造，并且它們允(yun)許整個 CCD 表面具有光(guang)敏(min)性。這使(shi)硅的給(gei)定區域中(zhong)可以包含的像素(su)(su)數量最(zui)大化，同時也(ye)使(shi)每個像素(su)(su)中(zhong)實際(ji)上(shang)能夠將光(guang)子轉(zhuan)換為(wei)電子的部分最(zui)大化。

然而，一個(ge)主要的(de)限(xian)制(zhi)是需(xu)要一個(ge)機(ji)械快門（或(huo)一個(ge)同步的(de)、短時間(jian)(jian)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)稱為頻閃）。CCD 的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)激活(huo)區(qu)并(bing)不會因為你已經決定是時候執行讀(du)出而停止光(guang)(guang)(guang)(guang)激活(huo)。如果沒(mei)有在(zai)曝光(guang)(guang)(guang)(guang)周期完成(cheng)后阻擋入射光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)機(ji)械快門，則在(zai)（有意(yi)）集成(cheng)期間(jian)(jian)生成(cheng)的(de)電荷(he)包將被(bei)讀(du)出期間(jian)(jian)到(dao)達(da)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)損壞。

幀傳輸（Frame-Transfer）CCD

一般來說，我們更喜歡(huan)用電子方式控制(zhi)曝光，快(kuai)門（像任何(he)其(qi)他(ta)快(kuai)速(su)移動(dong)的(de)高精度機械設(she)備一樣）使(shi)設(she)計更加復(fu)雜(za)，最終產品(pin)更加昂貴，整(zheng)個系統更容易出(chu)現(xian)故障(zhang)。在(zai)電池供電的(de)應用中，驅動(dong)物(wu)理(li)物(wu)體所需的(de)額外(wai)能量也是不可取的(de)。

FT-CCD 允許我們保持 FF-CCD 的一(yi)些(xie)優點，同時（幾乎(hu)）不(bu)需要快門。這是通(tong)過將 FF CCD 分成兩個大小(xiao)相等的部分來實現(xian)的。其中一(yi)個部分是普通(tong)的光敏成像陣列(lie)，另一(yi)個部分是屏蔽入射光的存儲陣列(lie)。

在集(ji)成之后，用于所有像(xiang)素的(de)電(dian)荷(he)包被快速地傳輸到存儲陣列，然后在存儲陣列中發生(sheng)讀(du)出。當讀(du)取(qu)存儲位置時，活(huo)動像(xiang)素可(ke)以(yi)為下(xia)一圖(tu)像(xiang)累積(ji)電(dian)荷(he)，這使得幀(zhen)傳輸 CCD 能夠(gou)獲得比(bi)全幀(zhen) CCD 更高的(de)幀(zhen)速率。

說 FT 架構幾乎(hu)消除(chu)了快(kuai)(kuai)門，因為無快(kuai)(kuai)門設計會遇到(dao)一個稱為垂直涂抹的(de)問題。電荷(he)包從(cong)活動(dong)像素(su)到(dao)存儲(chu)位(wei)置的(de)傳輸很快(kuai)(kuai)，但(dan)不是瞬間發生的(de)，因此在垂直傳輸期間到(dao)達傳感器的(de)光可以改變圖像信息(xi)。

FT 架構的主(zhu)要缺(que)點是成本(ben)(ben)較(jiao)高，并且相對于圖像(xiang)質(zhi)量而言面積增(zeng)大(da)，因為基本(ben)(ben)上是使用 FF 傳感器，然后將像(xiang)素(su)數減少(shao)兩倍。

線間傳輸（Interline-Transfer）CCD

我們(men)需(xu)要(yao)(yao)的(de)最后(hou)一個主要(yao)(yao)的(de)架(jia)構改進是將(jiang)集(ji)成電荷快速(su)轉(zhuan)移到存儲(chu)區域(yu)，從而將(jiang)污跡降低到可以忽略的(de)程度。線間傳(chuan)輸(shu) CCD 通(tong)過提供與每個光活動位(wei)置相鄰(lin)的(de)存儲(chu)（和(he)傳(chuan)輸(shu)）區域(yu)的(de)網絡來實現(xian)這(zhe)一點(dian)。曝光完成后(hou)，傳(chuan)感(gan)器中(zhong)的(de)每個電荷包(bao)同(tong)時傳(chuan)輸(shu)到非(fei)光敏垂(chui)直(zhi)移位(wei)寄存器中(zhong)。

因此，它的(de) CCD 能(neng)夠以最小(xiao)的(de)拖影(ying)實現電子快(kuai)門，并且像 FT-ccd 一樣，它們可以在讀(du)出期間集成，從而保持較高(gao)的(de)幀(zhen)速率能(neng)力。然而，如果(guo)光生電荷(he)在讀(du)出過(guo)程中(zhong)(zhong)從光活性柱泄漏到(dao)相鄰的(de)垂直移位寄存器中(zhong)(zhong)，則可能(neng)發生一些涂抹。如果(guo)應用程序(xu)不需要高(gao)幀(zhen)速率，則可以通(tong)過(guo)延遲積分直到(dao)讀(du)出完成來消除此問題。

線間(jian) CCD 不(bu)需要幀傳(chuan)(chuan)輸 CCD 中使(shi)用的(de)大(da)(da)存儲部(bu)(bu)分，但(dan)它(ta)們引(yin)入(ru)了一個新的(de)缺點：傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)成為(wei)將光(guang)(guang)子轉換為(wei)電子的(de)效率(lv)較低的(de)手段，因為(wei)每(mei)個像素(su)(su)位置現在都(dou)由光(guang)(guang)電二極管和垂直移位寄存器(qi)的(de)一部(bu)(bu)分組成。換言之，部(bu)(bu)分像素(su)(su)對光(guang)(guang)不(bu)敏感(gan)，因此相對于落在像素(su)(su)區域(yu)上的(de)光(guang)(guang)的(de)量產生較少的(de)電荷。這種靈敏度(du)的(de)損失(shi)通過在傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)上添加將入(ru)射光(guang)(guang)集中到每(mei)個像素(su)(su)的(de)光(guang)(guang)活(huo)動區域(yu)的(de)微小透鏡而大(da)(da)大(da)(da)減輕，但(dan)是這些(xie)“微透鏡”有(you)其自身的(de)一系(xi)列困難。

結論

希望這篇文章能(neng)幫助(zhu)您(nin)理解在設計 CCD 圖像傳感器時所(suo)涉及的(de)(de)(de)權衡。全幀 CCD 可能(neng)看(kan)起來是(shi)最“原始”的(de)(de)(de)類(lei)型，但它們仍然是(shi)不需(xu)要高幀速率的(de)(de)(de)系統中(zhong)的(de)(de)(de)首選，并且可以容忍閃光燈(deng)或機械(xie)快門的(de)(de)(de)使(shi)用。幀傳輸(shu) CCD 和線(xian)間傳輸(shu) CCD 具有(you)更多(duo)的(de)(de)(de)用途，在某些應(ying)用中(zhong)具有(you)關(guan)鍵的(de)(de)(de)優勢(shi)。