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1969年，沃勒德?保爾(Willard Boyle)與喬治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)于美國電報電話公司的貝爾實驗室(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)。他們開發(fā)CCD的原意是把它用于建構(gòu)內(nèi)存裝置。不過，保爾和史密斯1970年的研究出版后，其它科研人員開始把有關(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是一個具有極高靈敏度的光子傳感器。一個CCD 會被分割成大量微小光敏單元(就是我們常說的像素)，以便用于整合成目標(biāo)畫面。一個光子來到某個像素的范圍時，便會轉(zhuǎn)換成一個(或多個)電子，而收集到的電子數(shù)量會與每個像素接收的光線強度成正比例。當(dāng)CCD時鐘輸出時，每個像素內(nèi)的電子數(shù)目便會被測量出來，以用于重建畫面。

CCD陣列切面圖

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

在這區(qū)域里，電荷會與一個正向施加電壓一同采集。在具體工作中，電荷儲存于掩埋通道部分以避免與表面有接觸，而各個通道‘行’之間則有通道阻絕層作分隔。上圖顯示了單個CCD像素的結(jié)構(gòu)。大量的像素組合起來，便構(gòu)成一個成像設(shè)備，例如Teledyne e2v 的CCD290便具有8100萬像素。下圖顯示的是一個3x3的像素陣列。

帶電極和通道‘行’的CCD陣列切面圖

用于控制CCD內(nèi)電子活動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左右波長的光線通過。由于所有像素都是一致而且通過同一端口讀出，所以能夠提供質(zhì)量均一的圖像。

讀出

在大多數(shù)的CCD里，每個像素里的電極經(jīng)配置，電荷會沿著通道‘行’向下轉(zhuǎn)移。因此，當(dāng)CCD時鐘工作時，各個列會向下轉(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外部以便于測量。而在讀出記錄器里的電極經(jīng)配置，電荷會以水平方向在記錄器內(nèi)轉(zhuǎn)移。

電荷從被采集到讀出，它是以每次一個電荷包的形式傳送到一個輸出放大器，在那里電荷會轉(zhuǎn)換為電壓。在讀出工作進行時，電極會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。

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

在某個相位的圖像范圍內(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個時鐘。每次只有一行電荷轉(zhuǎn)移到讀出記錄器。然后讀出記錄器會以相同的時鐘，每次讀出一個像素到輸出節(jié)點，把電荷轉(zhuǎn)為電壓。下圖顯示了一個4x4像素三相位器件的工作原理：

電荷轉(zhuǎn)移原理

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

?一部CCD相機或儀器一般包含一個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)字化像素數(shù)值，以及把每個像素的數(shù)值輸出到外部，例如是處理器。CCD是一個模擬器件，而模擬電壓數(shù)值會由相機的電子部件轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。

讀出記錄器

Teledyne成像的傳感器的功能涵蓋從X光到超長波紅外線的整個光譜范圍

硬X光/軟X光/真空紫外線/紫外線/可見光/短波紅外線/中波紅外線/長波紅外線/超長波紅外線

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)組和微測輻射熱計，以及更多其它技術(shù)。

主要CCD參數(shù)

量子效率

CCD能夠測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。量子效率會因波長而有差異，而通過諸如背薄(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。

波長范圍

CCD的波長范圍可以從0.1nm (軟X光) 到 400 nm (藍(lán)色可見光)，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。利用背照可以實現(xiàn)較短的X光和紫外光波長檢測，而低噪聲和高阻硅技術(shù)則有助于提高對較長的近紅外線波長的靈敏度。

動態(tài)范圍

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

當(dāng)光線來到CCD上，光子會轉(zhuǎn)換成電子。CCD的動態(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)電位井無法再接收更多的電子時，意味著像素達(dá)到飽和狀態(tài)。在典型的科學(xué)用CCD，這情況大約會在150,000個電子時發(fā)生。

可測量的最小信號單位不一定是一個電子(相等于可見波長的一個光子)。具體來說，最小電子噪聲一般是與CCD實體結(jié)構(gòu)相關(guān)，最小大約是每像素2至4個電子。所以可測量的最小信號是由這讀出噪聲來決定。單電子或電子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，EMCCD) 都是經(jīng)設(shè)計用于高靈敏度測量的超低噪聲傳感器，可以量度出小至數(shù)個光子或電子的信號。

線性度

測量器的另一重要考慮是對它所見的任何圖像的線性響應(yīng)能力。如果CCD測出100個光子，它便會把它們轉(zhuǎn)換為100個電子(假設(shè)QE為100%)。在這一狀況下，測量器有一個線性響應(yīng)。線性響應(yīng)的用處在于無需對圖像進行附加處理，便可以測定圖像上不同主體的真正和真實密度。

噪聲

CCD的噪聲表現(xiàn)取決于多個因素。

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)千個電子。在這情形下，每個像素有機會在數(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)來為檢測器降溫來解決暗電流問題。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)十個電子。

讀出噪聲

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

讀出噪聲能影響動態(tài)范圍，所以必需盡可能減小，這在微小能量檢測應(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X光能量中的光子就是一個例子。

功耗

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

?End?

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總結(jié)

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