(4) 电荷的注入和检测
CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。光注入就是当光照射CCD硅片时,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。而所谓电注入,就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样,将信号电压或电流转换为信号电荷。在此仅讨论与本课题有关的光注入法。
CCD利用光电转换功能将投射到CCD上面的光学图像转换为电信号“图像”,即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空间分布,然后利用移位元元寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端,形成幅度不等的实时脉冲序列。其中光电转换功能的物理基础是半导体的光吸收。当电磁辐射投射到半导体上面时,电磁辐射一部分被反射,另一部分透射,其余部分被半导体吸收。所谓半导体光吸收,就是电子吸收光子并从一个能态跃迁到另一个较高能级的过程。我们这里将要涉及到的是价带电子越过禁带到导带的跃迁,和局域杂质或缺陷周围的束缚电子(或空穴)到导带(获价带)的跃迁。他们分别称为本征吸收和非本征吸收。CCD利用处于表面深耗尽状态的一系列MOS电容器(称为感光单元或光敏单元)收集光产生的少数载流子。这些收集势阱是相互隔离的。由此可见,光转换成电的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分离的采样过程。
另外,衬底每吸收一个光子,反型区中就多一个电子,这种光子数目与存储电荷的定量关系正是CCD检测器用于对光信号作定量分析的依据。
转移到CCD输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷/电压(电流)的线性变换,称之为电荷检测。从应用角度对电荷检测提出的要求是检测的线性、检测的增益和检测引起的噪声。针对不同的使用要求,有几种常用的检测电路,如栅电容电荷积分器、差动电路积分器以及带浮置栅和分布浮置栅放大器的输出电路。这里就不一一叙述了。
(1)电荷转移效率(CTE)
CCD以电荷作为信号,所以电荷信号的转移效率就成为其最重要的性能之一。把一次转移之后,到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率。好的CCD具有极高的电荷转移效率,一般可达0.999995,所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。例如,一个有2048像元的CCD,其信号电荷的总的电荷转移效率为0.9999952048,即0.9898,损失率只有约0.1%。
(2)量子效率(QE)
图8比较了典型的PMT(光电倍增管)、PDA(光电二极管数组)、CID(电荷注入器件)和CCD的量子效率。可见,CCD的量子效率大大优于PDA和CID,在400~700NM波段优于PMT。但是,不同厂商制造的CCD在几何尺寸、制造方法、材料上有所不同,结果它们的QE差别较大。如有的CCD只在350~900NM波段的QE达10% 以上,有的CCD在200~1000NM波段都有很高的量子效率。造成QE下降的主要原因是CCD结构中的多晶硅电极或绝缘层把光子吸收了,尤其是对紫外部分的光吸收较多,这部分光子不产生光生电荷。许多线阵CCD对紫外光的响应较差就是这个原因。采用化学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式,可以减少由吸收导致的量子效率损失。背部照射减薄的CCD在真空紫外区的工作极限可达1000。
(3)暗电流
CCD在低温工作时,暗电流非常低,暗电流是由热生电荷载流子引起的,冷却会使热生电荷的生成速率大为降低。但是CCD的冷却温度不能太低,因为光生电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点的能力随温度的下降而降低。制冷到150°K的CCD暗电流小于0.001个电子╱检测元╱秒。
(4)动态范围
动态范围DR的定义为:
其中VSAT为饱和输出电压,VDRK为有效像元的平均暗电流输出电压。在正常工作条件下,CCD检测器的所有像元经历同时曝光,式(3.1)表示的是单个检测像元的动态范围,即简单动态范围。CCD的简单动态范围非常大,宽达10个数量级。以7500?的红光光子为例,CCD可在1毫秒积分时间内对光强达每秒5×109个光子的光束回应。可以对每秒7×10-2个光子的光源回应。而且在整个动态范围响应内,都能保持线性响应。这一特性对光谱的定量分析具有特别的意义。
但在一些光谱分析中,如AES(原子发射光谱)中,实际的动态范围达不到那么大的值。一种扩展CCD动态范围的方法是根据光的强弱改变每次测量的积分时间。强信号采用短的积分时间,弱信号采用长的积分时间。这种方法测量强信号旁的弱信号非常不利,存在BLOOMING(溢出)的问题,特别是对于AES。通过改进CCD制作工艺生产出来的性能优秀的CCD已在不同程度上解决了这个问题。
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
说到CCD的尺寸,其实是说感光器件的面积大小,这里就包括了CCD和CMOS。感光器件的面积越大,也即CCD/CMOS面积越大,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。CCD/CMOS是数码相机用来感光成像的部件,相当于光学传统相机中的胶卷。
CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力,并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时,会将电荷反应在组件上,整个CCD上的所有感光组件所产生的信号,就构成了一个完整的画面。
如果分解CCD,你会发现CCD的结构为三层,第一层是“微型镜头”,第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。
第一层:微型镜头
我们知道,数码相机成像的关键是在于其感光层,为了扩展CCD的采光率,必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定,而改由微型镜片的表面积来决定。
第二层:分色滤色片
CCD的第二层是“分色滤色片”,目前有两种分色方式,一是RGB原色分色法,另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先,我们先了解一下两种分色法的概念,RGB即三原色分色法,几乎所有人类眼镜可以识别的颜色,都可以通过红、绿和蓝来组成,而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue,这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK,这是由四个通道的颜色配合而成,他们分别是青(C)、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中,CMYK更为适用,但其调节出来的颜色不及RGB的多。
原色CCD的优势在于画质锐利,色彩真实,但缺点则是噪声问题。因此,大家可以注意,一般采用原色CCD的数码相机,在ISO感光度上多半不会超过400。相对的,补色CCD多了一个Y黄色滤色器,在色彩的分辨上比较仔细,但却牺牲了部分影像的分辨率,而在ISO值上,补色CCD可以容忍较高的感光度,一般都可设定在800以上
第三层:感光层
CCD的第三层是“感光片”,这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号,并将信号传送到影像处理芯片,将影像还原。
传统的照相机胶卷尺寸为35mm,35mm为胶卷的宽度(包括齿孔部分),35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。换算到数码相机,对角长度约接近35mm的,CCD/CMOS尺寸越大。在单反数码相机中,很多都拥有接近35mm的CCD/CMOS尺寸,例如尼康德D100,CCD/CMOS尺寸面积达到23.7 x 15.6,比起消费级数码相机要大很多,而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36 x 24mm,达到了35mm的面积,所以成像也相对较好。
现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。CCD/CMOS尺寸越大,感光面积越大,成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事,但这也会导致单个像素的感光面积缩小,有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量,就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难,成本也非常高。因此,CCD/CMOS尺寸较大的数码相机,价格也较高。感光器件的大小直接影响数码相机的体积重量。超薄、超轻的数码相机一般CCD/CMOS尺寸也小,而越专业的数码相机,CCD/CMOS尺寸也越大。
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