详细介绍CCD图像传感器的工作原理是什么？

电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device)，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。

CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。

当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区(势阱)，耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子(电子)被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包(势阱)电荷转移的控制方法，类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。

CCD基本单位是MOS电容器，这种电容器可以储存电荷。以P型硅为例，在P型硅衬底上氧化形成表面SiO2层，然后在SiO一层金属上淀积为栅极，P型硅中的大多数载流子是带有正电荷的孔，少数载流子是带有负电荷的电子。当正电压施加在金属电极上时，其电场可以通过SiO绝缘层排斥或吸引这些载流子。因此，带正电源的空穴被排除在远离电极的地方，留下一些带负电源的载流子，这些载流子无法移动SiO二层形成负电荷层(耗尽层)，这种现象就形成了电子陷阱，电子一旦进入就无法复出，因此也被称为电子潜在陷阱。

当设备被照亮时(光可以通过每个电极的间隙SiO当光子的能量被半导体吸收并产生电子空穴时，电子被吸引并存储在潜在的陷阱中。这些电子可以传输。光线越强，在潜在陷阱中收集的电子越多，光线越弱，反之亦然。这样，光的强度就变成了电荷的数量，实现了光和电的转换，在潜在陷阱中收集的电子被储存起来，即使停止照明一段时间，也不会丢失，从而实现对照明的记忆。 总之，上述结构本质上是小的MOS电容，用它来形成象素，可以“感光”又可留下“潜影”，感光效应是由光强产生的电子积累的电荷。潜在的阴影是由每个电容器中留下的每个像素的不同电荷形成的。如果每个电容器中的电荷可以依次传输到其他地方，然后形成行和帧并通过“显影”实现了图像的传递。

CCD分类：

面阵CCD

允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。面阵CCD的结构一般有3种。第一种是帧转性 CCD。它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域 ，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影 。第二种是行间转移性CCD。它是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。第三种是帧行间转移性CCD。它是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。

线阵CCD

用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。

三线传感器CCD

在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。

交织传输CCD

这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。

全幅面CCD

此种CCD具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。