CCD饱和和光晕CCD Saturation and Blooming
在达到单个光电二极管的有限电荷容量或CCD的最大电荷转移容量的条件下，所有电荷耦合器件（CCD）图像传感器中都会发生饱和和光晕现象。一旦在电荷收集点出现饱和，其他光生电荷的积累就会导致多余的电子漫出或溢出到相邻的器件结构中。传感器输出中可能会反映出许多潜在的不希望的光晕效果，包括白色图像条纹和错误的像素信号值（如图1所示），直到输出放大级完全击穿，从而生成一副黑图像。
图像传感器的电荷容量可能受单个光电二极管特性（像素）或CCD本身的限制，并且由图像传感器可以收集和转移的最大电荷量定义，同时仍保持其所有设计性能规格。该容量极限称为饱和电荷水平，当达到该极限时，像素或CCD被描述为饱和。超过饱和度会导致在拍摄的图像中产生光晕的伪像。光晕是指当超过最大阱电荷容量时，过量的受限光生电荷从光电二极管阱溢出到相邻结构中。由于光晕而导致的相邻图像区域的劣化程度取决于CCD制造细节和电荷溢出程度。由于光晕的发生是由饱和条件触发的，因此了解探测器最大电荷容量对应的输出电压是很有用。此值定义为饱和电压，代表CCD的有效最大输出电压，通过将电荷容量乘以电荷电压转换因子（成像设备的输出灵敏度）来计算得出，如下所示：
Vsat = Nsat × (dV/dN)
其中V（sat）是饱和电压，N（sat）是电荷容量，dV/ dN代表电荷电压转换因子。后一个变量等于CCD输出灵敏度，仅是一个比率说明在给定数量的电荷转移到器件上电荷检测节点上时输出电压的变化。
单个像素可以累积的电荷量由其满阱容量决定，并且主要取决于像素尺寸。其他设计因素也会影响像素电荷容量，包括必需的工作电压以及是否采用多引脚相位（MPP）技术来减少暗电流。由于CCD设计架构的差异，可能有多种可行的电荷转移机制。另外，采用不同设计的工作方案在细节上有很大不同，例如时钟模式，结果，饱和条件的出现在所有CCD中的特征都不相同。可以在满阱条件的基础上从理论上定义饱和度，但是潜在的阱物理特性的复杂性阻止了简单地将阱容量视为性能参数。 CCD成像器通常会在实际达到满阱容量之前表现出一些接近饱和条件的效果。例如，CCD的视在灵敏度可能会随着平均信号电平的增加而降低，因为电荷转移动力学的变化会降低电子在接近饱和的势阱中陷获的可能性。可能的结果是，甚至在光晕伪像出现之前，CCD的线性响应偏差会增加。对于打算用于科学应用的高性能传感器，要做出巨大的努力来确保入射光子能级与CCD输出信号之间的线性关系。
如果认为像素饱和与满阱条件相对应，则其出现的一个早期迹象是观察到样品照度的增加不会导致额外的信号检测。进一步的电荷积累可能随后产生可见的光晕伪像。当CCD的响应偏离线性时，CCD的定量能力会受到损害，并且如前所述，某些传感器设计可能会在出现任何可见的光晕现象之前就发生这种情况。当工作在仅限于满阱能力的线性部分（线性满阱）时CCD表现为光度检测器，适合用作定量测量。由于CCD设计类型的多样性，以及饱和度和光晕的实际定义不同，因此可以采用多种控制措施。在实践中，避免饱和的影响比针对所使用的特定CCD系统精确定义的条件更为重要。对于许多CCD相机，系统可能会在出现高光现象之前工作在线性响应范围之外。尽管可以使用各种不同的机制来最小化电荷耦合器件中的光晕效应，但取决于特定的CCD设计和应用类型，通常更可取的是识别并避免饱和条件，而不是依赖于抗光晕措施。需要考虑的一个因素是相机增益控制的正确操作，可以调整增益，使模数转换器的整个位深度不超过CCD的线性满阱容量。正确执行此设置后，可以将高性能相机的全部12位，14位或16位能力用于光度测量应用，而无需达到最大满阱像素容量。
噪声特性中的某些异常现象提供了传感器接近饱和的另一种指示。在CCD以散粒噪声为主的照明条件下，随着光强度和信号的增加，随机噪声随信号的平方根增加。在接近满阱开始的某个照明水平下，增加到信号水平的正随机噪声变化开始被削波或平滑。这种现象称为噪声限制，即使在信号增加时，也会导致平均噪声水平开始降低（请参见图2（a）。在满阱条件下，噪声会随着电荷在相邻像素之间的扩散而突然降低（光晕），当构建光子传输曲线时，绘制噪声作为平均信号的函数时，噪声随信号的增加而增加，信号的斜率受主导噪声机制控制（见图2（b））。在光晕开始时，曲线的斜率明显中断。
饱和和光晕通常在发生在CCD信号电平相对较高的位置，这里固定模式噪声是主要噪声（图2（b），其噪声与信号成正比。信噪比（SNR）同样与信号成正比，如果使用整个动态范围（达到满阱极限），这会严重限制相机的性能。科学级相机系统通常采用平场技术来消除像素不均匀噪声，从而能够在扩展的散粒噪声限制范围内成像。在散粒噪声是主要噪声时，图像SNR增加与满阱容量的平方根成正比，尤其是在使用高容量传感器时。通过消除像素不均匀性，CCD传感器具有更高的获得高质量图像的潜力，它在至少延伸到线性满阱的动态范围内，同时仍运行在所需的散粒噪声限制范围内，并保持高图像质量，直至出现光晕伪像的点。
在控制光晕的可能机制中，最常见的方法是在传感器制造过程中为此目的特定的CCD设计特性。通常，可以通过在CCD电荷收集阱附近并入防晕（Antiblooming）结构来显着降低光晕的影响，从而提供安全的路径来去除多余的电荷而不会破坏图像数据。合并到像素中用作“放电溢出”漏极（用于溢出电荷）的两种最常见的结构类型是垂直溢出漏极（VOD）和横向溢出漏极（LOD）。如果有其他可用来限制像素饱和的选项，则由于在量子效率和阱容量上的重大牺牲，结构通常不会在用于科学用途的相机系统中使用。因为这些包含在CCD架构中的结构会导致灵敏度降低，限制了它们在弱光成像（例如荧光显微镜）中的效用，但是对于某些成像应用而言，它们是必不可少的选择。
横向和垂直防晕溢出漏极在结构和性能特征上有很大不同。两种通用架构类型的简化细节在图3和图4中进行了说明。横向防晕结构的制作使得防晕栅或溢流栅位于像素的电荷收集点附近，可以在此处偏置它以允许多余的电荷流过溢出到反向偏置的二极管中，并在出现光晕之前将其接地（如图3所示）。在一些设计中，横向漏极沿平行移位寄存器的长度延伸，在平行移位寄存器中，横向漏极由一或多个相邻垂直列中的所有像素共享，这取决于它们的间距。电荷漏极可以位于每第二个像素列附近，并且防晕栅极长度和漏极面积设计得尽可能小，以保持最大的阱面积和容量。由于横向防晕结构大约占据了像素面积的30％，与之相比，不使用防晕结构的CCD潜在100％的有效光敏感（称为像素填充因子）面积，而内置的防晕结构的CCD光敏感面积比例降低到了大约70％。
垂直溢出类型的防晕结构位于电荷收集阱的正下方，旨在允许多余的电荷直接溢出到衬底中，而不是横向移动到漏极通道中，如图4所示。它基于与横向设计不同的外延层结构，并利用了注入受控分布离子的n型埋入式通道中，提供了一条用于使溢出电荷从通道中心进入衬底的路径。电荷收集阱通过对偏置基板的内置静电势垒来维持，但该势垒被设计为以低于像素之间的势垒的水平运行。当收集到的电荷超过衬底势垒电势时，它会垂直溢出到硅中被衬底偏压扫走，而不是溢出到相邻像素中。垂直防晕体系结构的应用必定会产生具有非常浅的光敏区域的器件，并且在比几微米更深处产生的电荷会丢失给基材吸收。结果是在近红外光谱区域的灵敏度较低，因为较长波长的光子在CCD表面附近产生的电荷最少。
结合到CCD架构中的任何类型的防晕结构都会导致传感器性能的某些下降，而包含横向或垂直溢流漏极的器件会表现出特定的优缺点。这两种防晕方案的附带好处是可用作曝光控制的电子快门机制，从而使某些CCD成像系统不需要机械快门。电子快门是一种比机械设备更为精确和可靠的曝光控制方法，该技术极大地提高了相机操作的多功能性，尤其是在计算机控制的成像系统中以及高帧频下。尽管防晕器件会对量子效率和灵敏度产生负面影响，但是当单个图像帧的亮度范围跨越多个数量级时，抗晕器件非常有价值，尤其是如果替代方案根本不记录图像或被光晕的伪影损坏，消除了重要的图像区域的时候。
除了垂直溢流器件的低灵敏度外，特别是在某些光谱区域，与具有横向溢流结构的传感器相比，这种类型的架构相关的其他典型缺点包括阱容量减少和由此产生的较低的动态范围。尽管由于缺少电荷可以扩散到其中的无场区，但垂直溢流漏极设计的电荷收集效率非常出色，但总体量子效率很低，典型峰值约为25％。另外，在CCD中结合垂直结构排除了薄化和背面照明方法，并且器件复杂性增加了制造成本。
横向溢流漏极结构比垂直设计在防晕方面更为有效，并用于最苛刻的应用中。因为横向漏极是在硅芯片的表面上和其他电路结构的同样水平实现的，所以可以比垂直配置更低的成本来制造。横向溢流漏极结构的主要缺点是，漏极所占的面积会显著减小像素的有效面积。如前所述，表面防晕栅极将像素光敏面积减少了约30％，从而产生了70％的有效面积规格（填充系数）。与没有防晕保护的类似传感器相比，减小的填充系数以及更低的电子阱深度导致较低的光敏度。另外，由溢出结构占据的光敏区域之间的间隙降低了CCD的有效空间分辨率。
在要求最大灵敏度的弱光成像情况下，通常不希望使用防晕结构保护，并在可能时采用其他替代方法。在通常不包含防晕结构的科学成像系统中，有时在多相CCD中使用特殊的时钟技术作为消除光晕的有用技术，尽管这种方法在较高的帧率下效果较差，并且最适合在低照度下使用。该方法称为定时防晕，涉及在积分期间对CCD进行部分计时，以防止任何像素达到饱和状态。在积分间隔内，随着接近饱和，三相中的两个会交替切换，迫使多余的电荷进入硅-二氧化硅界面，在此处它与空穴重新结合（第三相不参与计时过程，仅用作阻挡层）。通过以足够的速率重复切换过程以防止电荷溢出到相邻像素中，可以避免光晕的伪影。电荷以与生成时相同的速率在氧化硅界面处重新结合，从而可以消除接近饱和的像素中的多余电荷，同时保持非饱和像素中的电荷以进行读出。在积分周期结束时，相机快门关闭，累积的电荷照常传输和读出。
尽管CCD传感器在很宽的动态范围内线性响应，但是当在高平均强度下达到满阱条件时，非线性响应将成为一个问题。请注意，在图像场的一小部分曝光过度但被较低的平均强度水平包围的情况下，良好的线性可能会超出满阱的范围。但是，如果整体照明足够亮，则CCD响应将变为非线性并发生饱和，并伴随着整个阵列的光晕。当强度的增加在记录的信号中不再产生任何变化时，就存在饱和。在整个像素阵列上平均强度过高时，非线性响应和满阱的发生会在相同的信号水平下发生。
非线性传感器响应通常与产生饱和的高光照条件相关。根据传感器的不同，在极低的照明水平下也可能发生线性行为偏离，并且原则上可以根据需要校准这些非线性区域中的响应。但是，最佳实践是将曝光限制在所使用的特定传感器的线性区域内，尤其是在可能发生饱和时，因为饱和开始可能很快且难以预测。避免CCD在高光照条件下饱和的可取操作措施之一是进行几次较短时间的曝光，这些曝光的合计持续时间等于所需的总积分时间。可以在处理过程中对多个短曝光图像进行数字组合，尽管在某些应用中必须要考虑到组合多个短曝光与在较长的间隔时间内单个积分图像相比，普遍存在的不同信噪比的影响。
在某些情况下必须考虑的另一种饱和形式是由于这样一个事实，即通常所有CCD中的电荷阱所能容纳的电荷比其能有效转移的更多。 在许多情况下观察到的饱和效应是由于接近CCD的最大电荷转移极限引起的。 在极端情况下，例如针对低照度应用进行了优化的敏感相机的高水平曝光，阵列中的许多像素可能达到饱和，从而导致输出级饱和。 大量像素合并的使用会增加电荷转移的要求，并且在某些情况下，CCD输出节点的电荷过载会导致输出放大链的崩溃和图像信号的完全损失。
撰稿人
Thomas J. Fellers and Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.
