原创 电荷耦合器件 (CCD) 如何支持高级成像系统

60 年代和 70 年代充满了辉煌的发现、发明和技术进步，尤其是存储技术。Willard Boyle 和 George Smith 探索了金属氧化物半导体 (MOS) 技术在半导体“气泡”存储器开发中的应用，是当时的一项重大发现。

该团队发现，电荷可以存储在一个微型 MOS 电容器上，这种电容器的连接方式可以使电荷从一个电容器逐步转移到另一个电容器。这一发现导致了电荷耦合器件 (CCD)的发明，该器件最初设计用于存储应用，但现在已成为高级成像系统的重要组成部分。

CCD（电荷耦合器件）是一种高灵敏度的光子检测器 ，用于将电荷从设备内部移动到可以将其解释或处理为信息（例如转换为数字值）的区域。

在今天的文章中，我们将研究 CCD 的工作原理、部署它们的应用程序以及它们相对于其他技术的优势。

简单来说，电荷控制器件可以定义为包含一系列链接或耦合的电荷存储元件（电容仓）的集成电路，其设计方式是在外部电路的控制下，存储在每个电容器中的电荷可以移动到相邻的电容器。金属氧化物半导体电容器（MOS 电容器）通常用于 CCD，通过向 MOS 结构的顶板施加外部电压，可以将电荷（电子 (e-) 或空穴 (h+)）存储在由此产生的潜在的。然后，这些电荷可以通过施加到顶板（门）的数字脉冲从一个电容器转移到另一个电容器，并且可以逐行传输到串行输出寄存器。

CCD 的操作涉及三个阶段，由于最近最流行的应用是成像，因此最好结合成像来解释这些阶段。这三个阶段包括：

1. 电荷感应/收集
2. 充电计时结束
3. 电荷测量

电荷感应/收集/存储：

如上所述，CCD 由电荷存储元件组成，存储元件的类型和电荷感应/沉积方法取决于应用。在成像中，CCD 由大量分成小区域（像素）的感光材料组成，用于构建感兴趣场景的图像。当投射到场景中的光在 CCD 上反射时，落在由其中一个像素定义的区域内的光子将转换为一个（或多个）电子，电子的数量与像素的强度成正比每个像素的场景，这样当 CCD 时钟输出时，每个像素中的电子数量就会被测量，并且可以重建场景。

下图显示了CCD的非常简化的横截面。

从上图中可以看出，像素是由 CCD 上方的电极位置定义的。这样，如果向电极施加正电压，则正电势将吸引所有带负电的电子靠近电极下方的区域。此外，任何带正电的空穴都会被电极周围的区域排斥，这会导致“势阱”的发展，入射光子产生的所有电子都将存储在该势阱中。

随着更多的光落在 CCD 上，“势阱”变得更强并吸引更多的电子，直到达到“满阱容量”（一个像素下可以存储的电子数量）。为了确保捕获正确的图像，例如在相机中使用快门以定时方式控制照明，以便填充势阱但不超过其容量，因为这可能会适得其反。

充电计时结束

CCD 制造中使用的 MOS 拓扑结构限制了可以在芯片上完成的信号调节和处理量。因此，通常需要将电荷输出到完成处理的外部调节电路。

CCD 一行中的每个像素通常配有 3 个电极，如下图所示：

其中一个电极用于创建用于电荷存储的势阱，而另外两个用于计时输出电荷。

假设在其中一个电极下收集了电荷，如下图所示：

为了从 CCD 中取出电荷，通过将 IØ3 保持在高电平来感应一个新的势阱，这迫使电荷在 IØ2 和 IØ3 之间共享，如下图所示。

接下来，IØ2 被拉低，这导致电荷完全转移到电极 IØ3。

时钟输出过程通过将 IØ1 拉高来继续，这确保电荷在 IØ1 和 IØ3 之间共享，最后将 IØ3 拉低以便电荷完全转移到 IØ1 电极下。

根据 CCD 中电极的排列/方向，此过程将继续，电荷将沿列向下移动或跨行移动，直到到达最后一行，通常称为读出寄存器。

电荷测量：

在读出寄存器的末端，连接的放大器电路用于测量每个电荷的值并将其转换为电压，典型转换系数约为每个电子 5-10µV。在成像应用中，基于 CCD 的相机将配备 CCD 芯片以及一些其他相关电子设备，但最重要的是放大器，它通过将电荷转换为电压来帮助将像素数字化为可以由软件处理的形式，获取捕获的图像。

用于描述 CCD 的性能/质量/等级的一些属性是：

1. 量子效率：

量子效率是指 CCD 获取/存储电荷的效率。

在成像中，并不是所有落在像素平面上的光子都会被检测到并转化为电荷。成功检测和转换的照片百分比称为量子效率。最好的 CCD 可以达到 80% 左右的 QE。就上下文而言，人眼的量子效率约为 20%。

2.波长范围：

CCD 通常具有较宽的波长范围，从约 400 nm（蓝色）到约 1050 nm（红外线），峰值灵敏度在 700 nm 左右。但是，可以使用背面变薄等工艺来扩展 CCD 的波长范围。

3.动态范围：

CCD 的动态范围是指可以存储在势阱中的最小和最大电子数。在典型的 CCD 中，最大电子数通常约为 150,000，而在大多数设置中，最小电子数实际上可能少于一个电子。动态范围的概念可以用成像术语更好地解释。正如我们之前提到的，当光线落在 CCD 上时，光子被转换成电子并被吸入势阱，势阱在某一时刻变得饱和。光子转换产生的电子数量通常取决于光源的强度，因此，动态范围也用于描述 CCD 可以成像的最亮和最暗可能光源之间的范围。

4、线性度：

选择 CCD 的一个重要考虑因素通常是它在很宽的输入范围内线性响应的能力。例如，在成像中，如果 CCD 检测到 100 个光子并将其转换为 100 个电子（例如，假设 QE 为 100%），那么为了线性起见，如果检测到 10000 个光子，则预计会产生 10000 个电子。CCD 中线性度的价值在于降低了用于称重和放大信号的处理技术的复杂性。如果 CCD 是线性的，则需要较少的信号调节。 

5、电源：

根据应用，功率是任何设备的重要考虑因素，使用低功率组件通常是明智的决定。这是 CCD 为应用程序带来的好处之一。虽然它们周围的电路可能会消耗大量功率，但 CCD 本身的功率很低，典型功耗值约为 50 mW。

6、噪音：

CCD 像所有模拟设备一样容易受到噪声的影响，因此，评估其性能和容量的主要特性之一是它们如何处理噪声。CCD 中遇到的最终噪声元素是读出噪声。它是电子到电压转换过程的产物，是估计 CCD 动态范围的一个影响因素。

电荷耦合器件在不同领域得到应用，包括：

1. 生命科学：

基于 CCD 的探测器和相机用于生命科学和医学领域的各种成像应用和系统。这一领域的应用太多了，无法一一列举，但一些具体的例子包括拍摄细胞图像并应用对比增强的能力，收集掺杂荧光团的图像样本的能力（这会导致样本发出荧光) 并用于先进的 X 射线断层扫描系统，以对骨骼结构和软组织样本进行成像。

2.光学显微镜：

虽然生命科学下的应用包括在显微镜中的使用，但重要的是要注意显微镜应用不仅限于生命科学领域。各种类型的光学显微镜用于其他有说服力的领域，例如；纳米技术工程、食品科学和化学。
在大多数显微镜应用中，由于低噪声比、高灵敏度、高空间分辨率和快速样品成像而使用 CCD，这对于分析在微观水平上发生的反应很重要。

3. 天文学：

在显微镜下，CCD 用于对微小元素成像，但在天文学中，它用于聚焦大型和远处物体的图像。天文学是 CCD 最早的应用之一，恒星、行星、流星等物体都已使用基于 CCD 的系统成像。

4. 商用相机：

低成本CCD 图像传感器用于商用相机。由于商用相机的低成本要求，与天文学和生命科学中使用的 CCD 相比，CCD 的质量和性能通常较低。

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