了解CCD感測器：它們是什麼以及它們如何運作

雖然到 2025 年，CMOS 感測器在科學成像和消費成像領域都佔據主導地位，但情況並非一直如此。

CCD是「電荷耦合元件」的縮寫，CCD感測器是最初的數位相機感測器，於1970年首次開發。直到幾年前，基於CCD和EMCCD的相機還被廣泛推薦用於科學應用。這兩種技術至今仍然存在，儘管它們的應用領域變得較為小眾。

CMOS感測器的改進和發展速度持續加快。這些技術之間的主要區別在於它們處理和讀取檢測到的電子電荷的方式。

什麼是CCD感測器？

CCD感測器是一種用於捕捉光線並將其轉換為數位訊號的影像感測器。它由一系列感光像素組成，這些像素收集光子並將其轉換為電荷。

CCD感測器的讀出方式與CMOS感測器的讀出方式有三個顯著差異：

● 費用轉移捕獲的光電子透過靜電作用逐像素地穿過感測器，到達底部的讀出區域。
● 讀出機制與使用一整排並行工作的類比數位轉換器 (ADC) 不同，CCD 只使用一個或兩個 ADC（有時甚至更多）來順序讀取像素。

電容器和放大器位置：每個像素中沒有電容器和放大器，每個 ADC 都有一個電容器和一個放大器。

CCD感測器的工作原理是什麼？

以下是CCD感測器獲取和處理影像的工作原理：

曝光結束後，CCD感測器首先將收集到的電荷移動到每個像素內部的掩模儲存區域（圖中未顯示）。然後，逐行地將電荷移到讀出暫存器。最後，逐列地從讀出暫存器中讀取電荷。

1. 費用清算：開始採集時，整個感測器上的電荷同時被清除（全局快門）。
2. 電荷積累：暴露過程中會累積電荷。
3. 電荷儲存曝光結束後，收集到的電荷被轉移到每個像素內的掩膜區域（稱為隔行轉移 CCD），在那裡它們可以等待讀出，而不會對新檢測到的光子進行計數。
4. 下一幀曝光偵測到的電荷儲存在像素的遮蔽區域中，像素的活動區域可以開始曝光下一幀（重疊模式）。
5. 順序讀取：逐行地，將完成幀中每一行的電荷移入「讀出暫存器」。
6. 最終讀數：每次處理一列，每個像素的電荷被送入讀出節點，以便在 ADC 上讀出。
7. 重複：此過程重複進行，直到所有像素中檢測到的電荷都被計數為止。

由於所有偵測到的電荷都由少量（有時只有一個）讀出點讀取，這種瓶頸導致 CCD 感測器的資料吞吐量與 CMOS 相比有嚴重限制。

CCD感測器的優點和缺點

優點	缺點
冷卻時暗電流通常很低 ~0.001 e⁻/p/s。	速度有限，典型吞吐量約 20 MP/s — 比 CMOS 慢得多。
像素合併：在讀取之前將像素電荷相加，從而降低雜訊。	由於單點ADC讀出，5–10 e⁻的高讀出雜訊很常見。
全域快門：隔行/訊框傳輸 CCD 中的真正全域或近乎全域快門。	更大的像素尺寸無法與CMOS技術所提供的微型化優勢相符。
影像均勻性高，非常適合定量成像。	高功耗：電荷轉移和讀取需要更多功率。

CCD感測器的優點

●低暗電流CCD感測器作為一種技術，其固有特性是暗電流非常低，冷卻後通常約為0.001 e-/p/s。
● “像素級”合併在進行像素合併時，CCD 會在讀出之前而不是之後添加電荷，這意味著不會引入額外的讀出雜訊。暗電流確實會增加，但如上所述，這通常非常低。
● 全球快門「隔行掃描」CCD感測器採用真正的全域快門。「幀轉移」CCD感測器使用「半全域」快門（參見圖45中的「遮罩」區域）－幀轉移過程（即曝光的開始和結束）並非真正同步，通常耗時1-10微秒。部分CCD採用機械快門。

CCD感測器的缺點

● 限速典型的每秒資料吞吐量約為 2,000 萬像素（MP/s），相當於以 5 fps 的速度拍攝 400 萬像素影像。這比同等 CMOS 慢約 20 倍，比高速 CMOS 至少慢 100 倍。
●高讀取噪音CCD的讀出雜訊較高，這主要是由於需要以高速率運行ADC才能達到可用的相機速度。高階CCD相機的讀出雜訊通常在5到10 e-之間。
● 更大的像素對於許多應用而言，較小的像素尺寸具有優勢。典型的CMOS架構允許的最小像素尺寸比CCD更小。
● 高功耗CCD感測器的運作功耗比CMOS感測器高很多。