CCD类型及其原理

     CCD最早是由BELL实验室发明的，到今年已经有33年的历史了。虽说半导体工艺取得了长足的进步，但是CCD还仅仅由少数几家厂商可以生产，它们分别是Sony；Philps；Kodak；Matsushita；Fuji和Sharp，日本厂商占了绝大多数。其中除了Fuji的Super CCD采用了菱形（蜂巢状）的排列方式（这里指的是每个感光二极管的排列方式），其它的CCD都采用了矩形的排列方式。虽然排列方式不一样，但是它们的工作原理都是基于以下四种基本的CCD类型Linear, Interline, Full-Frame, and Frame-Transfer。CCD比较昂贵，且价格比较稳定，相比CMOS，CMOS（民用相机常用）价格一直在下降。

     CCD的结构图如下：

Linear CCD

称之为线型CCD，它是有单独的一行像素构成，所有的 像素都在一行上。如果要显示出一副图像，线型CCD需要从对象表面扫描过去。图像是由一行行构成的，明显的如果用它来捕捉景物是非常慢的。并且它需要使用步进马达，这样就增加了系统的复杂性，如果机械精度未校准的话会影响的成像，并且机械运动还会带来很大的噪声，目前这种线性CCD在平板扫描仪上运用的最多。

Interline, Full-Frame, and Frame-Transfer被设计成队列形的CCD，它们采用多行构成矩形或正方形。

 

Interline CCD

Interline CCD中的每个像素都具有存储电荷的区域，好象抽行一样，一行用来进行光电耦合，另一行用于存储电荷。这些像素存储区域都被连接在一个垂直的电荷传输通道上，一直到队列顶部的水平位移寄存器(shift register)上。这种类型的CCD的应用范围最广，主要是它们的速度较快。interline的设计方式允许像素存储的电荷快速地位移到它邻近的存储区域中，电荷被一行行的移到顶部的水平位移寄存器。它可以快速的移去存储区域的存储电荷，为接收下一次的曝光做好准备。在数码相机中，这种交错设计 CCD可以足够快地捕捉到像素并能进行连续的拍摄，甚至可以拍摄动态的视频。目前市场上的大多数的数码相机都使用了这种CCD光电耦合器件。 Interline CCD带电子快门和Progressive scan逐行扫描模式，可用于高速摄影。

2， Interline CCD 又叫隔行转移CCD，这种CCD曝光后所产生的电荷都被转移到附件的移位寄存器，通过垂直传送向下转移到底部，按一定排序输出。这种CCD的优点是在曝光后即可将电荷储存在寄存器，继续曝光速度较快，感光和传送不在同一列，从而避免了拖尾现象。缺点是寄存器占用了感光面面积，也相应的牺牲了动态范围，芯片的每个像素并不是都感光，对于定位测量要求比较高的应用会有影响。

 

Full-Frame CCD

所有的像素都用于感光，有效感光面积增大。不过要把感光和电荷输出过程分开，因此速度不会太高。它的感光单元也是它的电荷寄存器，它由CCD感光单元，平行CCD位移寄存器，平行位移寄存器时钟控制器，串行 CCD位移寄存器和串行位移寄存器时钟控制器及输出信号放大器构成。

这种CCD把所有的像素都用于感光区域，因此当有电荷传输发生时，这些像素将被用于处理电荷传输而不能继续捕捉新的影像。在像素传输过程中，如果传感器再接受到光线，将会影响成像，表现为影像上的光点。由于没法在电子上限制这种现像的发生，一般数码相机会采用机械关闭快门的方式，来隔离镜头射入的光线。采用Full-Frame CCD的数码相机是唯一必然安装机械快门的类型，这种CCD的感光方式限制了它的连续拍摄功能。Full-Frame CCD一般被用在顶级的数码相机上，以便获得很高的影像密度（细节），例如数码后背、中幅像机。

1，Full frame CCD 又叫全帧CCD,阵列的每一个像素都感光。传输时，每一列向单行串行寄存器上相应的位置转移。同时串行寄存器向CCD阵列的出口转移。Full frame是可以利用整个感光区域，有效的增加了感光面积，同时也适应了长时间曝光。因此在上一帧曝光后，要先进行电荷输出，否则的话，下一帧曝光开始，上一帧还在读出阶段，就容易出现拖尾现象。因此这种CCD必须使用机械快门。同时也限制了Full frame CCD连续拍照的能力。

 

Frame-Transfer CCD

Frame-Transfer CCD的架构比较特殊，我们看到它的上半部分是光电耦合器件，下半部分由水平CCD存储队列构成，它由水平像素队列时钟控制器，水平存储队列时钟控制器。串行CCD位移寄存器和串行位移寄存器时钟控制器和信号输出放大器构成。

Frame-Transfer CCD非常的类似于Full-Frame CCD，但是它掩盖了半组队列用于电荷的临时存储区域，称它为"storage array"比较合适，当一个感光像素获得它们的电荷，它就会迅速地把电荷转移到存储队列上。这个操作没有快门延时，它们是非常快的捕捉设备。但是，并发的电荷传输周期和感光周期还是会造成影像的"污点"，Interline CCD改进了设计，允许在拍摄时同时进行电荷传输，这是它们之间的微小差别。

Philips的Frame-Transfer CCD（面扫描）的技术被称为True Frame sensor结构（它是由Philips开发的，便是目前被Sanyo使用，三洋的VPC-SX550就是一个典型的例子，它可以达到每称30帧的拍摄速度），它传感器上的存储区域由一个金属层保护，防止光线进入。我们知道典型的interline CCD每秒的拍摄速率是5-10幅，而Philips声称它们的Frame Transfer CCD可以达到每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的速度。

由于只有少数几家CCD生产商，其中不乏一些业界的巨头，它们之间的竞争异常激烈。传感器之间的一些微小差别也会吸引不同的买家，因此这些CCD生产商都在改进基础的CCD架构以提高它们的竞争力。Fuji 的Super CCD是唯一使用蜂房式结构的CCD，实采用的八边形构造可以最大限度的利用CCD的有效面积（我们知道蜂巢的结构是效率很高的一种几何形状，自然界创造的空间利用率最高的几何结构）。这样在CCD上面每个像素可以获得最大的密度，像素的形状使它有更大的感光面积以获得更好的动态范围。Fuji宣称这种技术具有更好的信噪比和动态范围，我们测试了使用第一代Super CCD的消费类数码相机Fujifilm 4700，不过我们对它的图像品质感到失望。但是下一代的Fuji数码相机优化了Super CCD技术，我们发现它的图像要比竞争的相机要锐利一些（不过译者认为，Super CCD的图像是以柔和著称的），它们图像品质相当不错，测试相机是Fujifilm FinePix S1 Pro，也难怪图像品质不错，这是一款定位专业市场的SLR数码相机。

因不同种类的工作需求，业界发展出不同的类型的CCD：Line(线型)，Interline(扫描)， Full-Frame(全景)和Frame-Transfer(全传)。

线型CCD是以一维感光点构成，通过步进马达扫描图像，由于照片是一行行组成，所 以速度较二维的数码相机来得慢，这种CCD大多用在平台式扫描仪上。

扫描型的CCD曝光后所产生的电荷都被转移到附近的移位寄存器，通过垂直传送向下转移到底部，按一定排序输出，它的优点在于曝光后即可将电荷储存在寄存器，继续拍照速度较快， 缺点是寄存器占用了感光面的面积，相应地牺牲了动态范围，这种CCD成本较低，多用在监视器、拍照手机、或低档数码相机上。

全景CCD是一种架构更简单的感光设计，鉴于扫描型的缺点，全景型可以利用整个感光区域(没有寄存区的设计)，有效增大感光面积，同时也适应长时间曝光，其曝光过程和线型相同， 不过感光和电荷输出过程是分开的。因此全景CCD的数码相机在传送电荷时必须使用机械快门(无法使用电子快门)，同时，也限制了全景CCD的连续拍照的能力。全景型大多用在专业级相机上。

全传CCD的架构介于扫描和全景之间，有时也叫全扫描型，它分成上、下部分，上半部分是感光区，下半部是暂时存储区。整体来说全传CCD非常类似全景CCD，它的特点在于直接规划一个大型寄存 区。一旦全传 CCD工作，它可以迅速将电荷转移到下方的寄存区中，本身可以继续曝光拍照。这种设计，让全传同扫描一样可以使用电子快门， 同时也可以增加感光面积和速度， 兼顾动态和静态的拍摄能力。大多数数码相机采用此类CCD。