本文介紹了三種 CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器體系結構的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，涉及全幀（FF）、幀傳輸（FT）和行間傳輸（IT）三種 CCD 的架構。
全幀（Full-Frame）CCD
半導體區域既可以作為光電元件，也可以作為電荷轉移器件，這有點(diǎn)違反直覺(jué)，但這正是 FF CCD 中發(fā)生的事情。在集成過(guò)程中，像素位置響應入射光子積累電荷，在集成之后，電荷包垂直地通過(guò)像素位置向水平移位寄存器移動(dòng)。
一般情況下，我們通過(guò)應用精心定時(shí)的時(shí)鐘信號來(lái)獲得 CCD 像素數據，這些時(shí)鐘信號依次在器件的電荷傳輸結構中產(chǎn)生電位阱和電位屏障。在全幀 CCD 中，我們需要能夠將這些控制電壓應用到同樣起光電探測器作用的區域，因此，柵極電極由透明多晶硅制成。
全幀 CCD 相對而言比較簡(jiǎn)單且易于制造，并a且它們允許整個(gè) CCD 表面具有光敏性。這使硅的給定區域中可以包含的像素數量大化，同時(shí)也使每個(gè)像素中實(shí)際上能夠將光子轉換為電子的部分大化。
然而，一個(gè)主要的限制是需要一個(gè)機械快門(mén)（或一個(gè)同步的、短時(shí)間的光源稱(chēng)為頻閃）。CCD 的光激活區并不會(huì )因為你已經(jīng)決定是時(shí)候執行讀出而停止光激活。如果沒(méi)有在曝光周期完成后阻擋入射光的機械快門(mén)，則在（有意）集成期間生成的電荷包將被讀出期間到達的光損壞。
這是全幀 CCD 的基本架構
幀傳輸（Frame-Transfer）CCD
一般來(lái)說(shuō)，我們更喜歡用電子方式控制曝光，快門(mén)（像任何其他快速移動(dòng)的高精度機械設備一樣）使設計更加復雜，產(chǎn)品更加昂貴，整個(gè)系統更容易出現故障。在電池供電的應用中，驅動(dòng)物理物體所需的額外能量也是不可取的。
FT-CCD 允許我們保持 FF-CCD 的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)（幾乎）不需要快門(mén)。這是通過(guò)將 FF CCD 分成兩個(gè)大小相等的部分來(lái)實(shí)現的。其中一個(gè)部分是普通的光敏成像陣列，另一個(gè)部分是屏蔽入射光的存儲陣列。
在集成之后，用于所有像素的電荷包被快速地傳輸到存儲陣列，然后在存儲陣列中發(fā)生讀出。當讀取存儲位置時(shí)，活動(dòng)像素可以為下一圖像累積電荷，這使得幀傳輸 CCD 能夠獲得比全幀 CCD 更高的幀速率。
說(shuō) FT 架構幾乎消除了快門(mén)，因為無(wú)快門(mén)設計會(huì )遇到一個(gè)稱(chēng)為垂直涂抹的問(wèn)題。電荷包從活動(dòng)像素到存儲位置的傳輸很快，但不是瞬間發(fā)生的，因此在垂直傳輸期間到達傳感器的光可以改變圖像信息。
FT 架構的主要缺點(diǎn)是成本較高，并且相對于圖像質(zhì)量而言面積增大，因為基本上是使用 FF 傳感器，然后將像素數減少兩倍。
幀傳輸 CCD 在全幀架構中增加了一個(gè)存儲陣列
線(xiàn)間傳輸（Interline-Transfer）CCD
我們需要的一個(gè)主要的架構改進(jìn)是將集成電荷快速轉移到存儲區域，從而將污跡降低到可以忽略的程度。線(xiàn)間傳輸 CCD 通過(guò)提供與每個(gè)光活動(dòng)位置相鄰的存儲（和傳輸）區域的網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。曝光完成后，傳感器中的每個(gè)電荷包同時(shí)傳輸到非光敏垂直移位寄存器中。
因此，它的 CCD 能夠以小的拖影實(shí)現電子快門(mén)，并且像 FT-ccd 一樣，它們可以在讀出期間集成，從而保持較高的幀速率能力。然而，如果光生電荷在讀出過(guò)程中從光活性柱泄漏到相鄰的垂直移位寄存器中，則可能發(fā)生一些涂抹。如果應用程序不需要高幀速率，則可以通過(guò)延遲積分直到讀出完成來(lái)消除此問(wèn)題。
線(xiàn)間 CCD 不需要幀傳輸 CCD 中使用的大存儲部分，但它們引入了一個(gè)新的缺點(diǎn)：傳感器成為將光子轉換為電子的效率較低的手段，因為每個(gè)像素位置現在都由光電二極管和垂直移位寄存器的一部分組成。換言之，部分像素對光不敏感，因此相對于落在像素區域上的光的量產(chǎn)生較少的電荷。這種靈敏度的損失通過(guò)在傳感器上添加將入射光集中到每個(gè)像素的光活動(dòng)區域的微小透鏡而大大減輕，但是這些“微透鏡”有其自身的一系列困難。
在行間傳輸架構中，存儲（和垂直傳輸）區域位于光活性柱之間。
結論
希望這篇文章能幫助理解在設計 CCD 圖像傳感器時(shí)所涉及的權衡。全幀 CCD 可能看起來(lái)是“原始”的類(lèi)型，但它們仍然是不需要高幀速率的系統中的優(yōu)選，并且可以容忍閃光燈或機械快門(mén)的使用。幀傳輸 CCD 和線(xiàn)間傳輸 CCD 具有更多的用途，在某些應用中具有關(guān)鍵的優(yōu)勢。