电荷藕合器件
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电荷藕合器件-电荷藕合器件(CCD)
随着数码相机、手机相机的兴起，图像传感器正逐渐成为半导体产品中最耀眼的明星之一，而在图像传感器中，日商所独占的CCD传感器与百家争鸣的CMOS传感器都在尽力克服自身的缺点，希望成为市场上的主流技术。
电荷藕合器件-CCD与CMOS传感器技术简介
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。CCD与CMOS传感器的结构如图1所示。
CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合组件）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由许多感光单位组成，当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。它就像传统相机的底片一样的感光系统，是感应光线的电路装置，你可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方，当光线与图像从镜头透过、投射到CCD表面时，CCD就会产生电流，将感应到的内容转换成数码资料储存起来。CCD像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。因此，尽管CCD数目并不是决定图像品质的唯一重点，我们仍然可以把它当成相机等级的重要判准之一。目前扫描机、摄录放一体机、数码照相机多数配备CCD。
CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。
CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体组件）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现噪点， 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。
CMOS（左）和CCD（右）两种规格的材料制作的摄像头如图3所示。
电荷藕合器件-CCD的基本工作原理
CCD是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。以下将分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。
（1）MOS电容器
CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属—氧化物—半导体）电容器。但工作原理与MOS晶体管不同。
CCD中的MOS电容器的形成方法是这样的：在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100～150NM的SIO2绝缘层，再在SIO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器（如图4所示）。
CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压VG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。
在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如正栅压VG进一步增加，接口上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。这样随着表面电势的进一步增加，在接口上的电子层形成反型层。而一旦出现反型层，MOS就认为处于反型状态（如图4所示）。显然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。反型层的电子来自耗尽层的电子—空穴对的热产生过程。对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。因此在加有直流电压的金属板上迭加小的交流信号时，反型层中电子数目不会因迭有交流信号而变化。
（2）电荷存储
当一束光投射到MOS电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入SI衬底，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子—空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存储。从而表明了CCD存储电荷的功能。一个CCD检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。
图5表示了SI-SIO2的表面电势VS与存储电荷QS的关系。曲线的直线性好，说明两者之间有良好的反比例线性关系，这种线性关系很容易用半导体物理中“势阱”的概念来描述。电子所以被加有栅极电压VG的MOS结构吸引到SI-SIO2的交接面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与电极电压的关系恰如表面势VS与电荷QS的线性关系，如图6(A)所示。图6(B)为反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，如图6(C)所示，此时表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。
（3）电荷转移
为了便于理解在CCD中势阱电荷如何从一个位置移到另一个位置，取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察，见图7。
假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其它电极上均加有大于域值电压的较低电压（例如2V）。设图7（A）为零时刻（初始时刻），过T1时刻后，各电极上的电压变为如图7（B）所示，第二个电极仍保持为10V，第三个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧（间隔只有几微米），他们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下的势阱所共有，如图7（B）和7（C）所示。若此后电极上的电压变为图7（D）所示，第二个电极电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图7（E）。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。图7所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图7（F）所示，这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷耦合（传输）方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐个单元的转移。另外必须强调指出的是，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极下转移到相邻电极下。这对于图7所示的电极结构是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极转移。CCD便不能在外部时钟脉冲的作用下正常工作。
（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。
电荷藕合器件-CCD的光谱分析特性
（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。
电荷藕合器件-CCD的种类
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
电荷藕合器件-CCD 尺寸
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。
电荷藕合器件-CCD与CMOS传感器的差异
由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：
(1) 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
(2) 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
(3) 分辨率差异： 如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，目前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的OV2610，2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。
(4) 噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。
(5) 功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。
综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。
电荷藕合器件-CCD技术的发展
随着用户的要求不断提高，传统的CCD技术已经没有办法满足现在使用者对数字影像的需求。为了迎合用户需求，占领市场，近几年一些厂商又推出了几种新的CCD技术：
（1）FULL FRAME CCD 与INTERLINE TRANSFER CCD
典型的消费级的数码相机，用的一般都是INTERLINE TRANSFER CCD。它的结构如下图。把一块半导体上集成制造出感光器件：光电二极管，和一些电路。每个单元呈整齐的矩阵式排列，多少行多少列。行数乘以列数就是这个CCD的象素数量。每个象素单元中（左下角的小图），有大约30％的面积用来制造光电二极管（红色部分）。在剩余的可用面积中，会放置一个SHIFT REGISTER（紫色部分，转移寄存器）。在接受一个指令后，光电二极管感受到的光强，会被放置在这个SHIFT REGISTER中并保持住。这是一个模似量。
下一步，就是把这每一个象素中的光强值，变成数字量，再由相机中的处理器组合成一幅数字图像。首先并行时钟启动第一行；串行时钟依次启动第1、2、3……列。这样第一行中和每个像素都被按顺序送出CCD，进入A/D CONVERTER（模拟／数字转换器，这种器件专门用来把模拟量转换成数字量）。然后并行时钟启动第二行；串行时钟依次启动第1、2、3……列。这样第一行中和每个像素都被按顺序送出CCD，进入A/D CONVERTER。这样依次下去，每一行每一列的像素都被有序的转换成数字信号。相机的处理器再把这些数字化的象素组合成一幅数字图像。
每一个像素单元中的SHIFT REGISTER整齐的排成一列列的，把真正起感光作用的光电二极管夹在中间。所以这种器件被叫作：INTERLINE TRANSFER CCD。由于每个象素单元中，真正用于感光的面积只占30%左右，那么它的感光效率就比较低。所以在真正的成品中，会在每个象素单元的上面，再造一个MICROLENSES(微镜)，在图的左下角就是MICROLENSES的示意图。光学镜片在光电二极管的正上方，面积造得比较大，这样就能把更多的入射光集中到光电二极管上，使等效的感光面积达到象素面积的70%左右。
由于有SHIFT REGISTER的存在，INTERLINE TRANSFER CCD就不需要机械快门。用电信号指示SHIFT REGISTER把光电二极管的输出信号保持住，就已经完成了采样过程。这就是电子快门。SHIFT REGISTER的存在，也使INTERLINE TRANSFER CCD可以输出视频信号。我们在彩色液晶取景器上能够看到活动的影像，也是SHIFT REGISTER的功劳。
KODAK专业产品中采用的CCD，是FULL FRAME TRANSFER。在每个像素单元中，有70%的面积用来制造光电二极管。整个像素的框内几乎全是感光面积。不需要也没办法放置更大面积的MICROLENSES来提高它的采光量。它的读出顺序和INTERLINE TRANSFER CCD是一样的。这种结构的好处是，可以得到尽量大的光电二极管，达到更好的成像质量。可以说，同样的CCD面积，FULL FRAME肯定会有更好的性能。缺点：这种CCD不能输入VIDEO图像。不能用液晶显示屏做取景器。必须以机械快门配合工作。并且机械快门限制它的最高快门速度。
NIKON D100采用的是全帧(FULL FRAME TRANSFER)CCD，与中间列传输(INTERLINE TRANSFER)CCD相比较，全帧传输CCD在感光器件中的每个光电二极管的有效像素的面积更大，从而可以捕捉到更多的影像数据。一般而言，全帧传输CCD能够捕捉到的有效影像数据大约是中间列传输CCD的两倍，从而具有更大的动态范围、更低的噪声和较高的灰级灵敏度等优点，从而改善了暗部和高光部分的细节表现。
（2）SUPER CCD
从上述的文章中我们可以了解，CCD的感光点排列是影响CCD感光范围和动态能力的关键。早期的CCD都是井然有序的“耕田”状。当CCD技术到了日本富士手中，工程师开始省思CCD一定要这样排列吗？为了兼具INTERLINE TRANSFER CCD的低成本设计，又要能兼顾FULL FRAME CCD的大感光面积，富士提出了一个跌破专家眼镜的折衷方案SUPER CCD。SUPER CCD是目前市面上唯一使用蜂巢式结构的CCD，其藉助八边形几何构造和间断排列，以INTERLINE TRANSFER CCD的方式为基本，争取最大限度的CCD有效面积利用率。但，早先的技术让通道过于拥挤，产生了不良的噪声，时至今日SUPER CCD已经发展进入第三代，几乎所有不良的缺点都已经改进。
2002年初，富士发布第三代Super CCD。2003年初，富士发布第四代Super CCD。（见下图）。新一代的SuperCCD有 Super CCD HR和 SR 两种规格。Super CCD HR(High Resolution)强调富士专利科技在固定面积大小的CCD 芯片上分辨率再提高。HR 技术能在1/1.7英吋的CCD上制造出663万画素的感光元素，搭配新一代的 HR 感光器的数字相机将可以输出 1230万纪录画素的照片（如同旧款300万画素 SuperCCD可以输出 600万画素的效果一样），这款 HR CCD 的输出效果将可媲美 Fujifilm 现役旗舰级 S2PRO 的画质效果。
另一款 Super CCD SR 则是全新CCD结构，如同 HR一样，应用了新微细化技术的 CCD SR，可以在1/1.7英吋的CCD上做出 670万画素的元素（HR为 663万）。所不同的是 SR 强调更高的动态范围（ Dynamic Range)，号称可达过去产品的4倍以上。造成这项差异的主要关键，在于 CCD SR 采用了有别以往的新型结构：SR整合了负责感光度高的S画素(见图：面积较大)以及能对一般动态范围以外作用的R画素(面积较小)。通过对这两种不同画素的运算整合，SuperCCD SR 将获得比以往单一感光结构之CCD更高的感光度和更宽的动态范围。 过去，单一架构的感光原件，对动态范围以外，也就是高光 亮部分和暗色部分。因为，无法调整灵敏度去适应（必须兼顾中间范围的显示品质），忍痛损失这部分的细节。而传统底片则可以藉由涂布较细的感色感光粒子来克服这样的困扰，所以当数字影像与传统影像相比时，动态范围往往是传统胜出的关键。富士的新技术显然克服了当原件更密集时所产生的噪声干扰，SR 的技术是利用 335万S画素和335万R画素整合为 670万的表现，这种分工合作的方式，目前在业界还是首例。
2002年2月，美国Foveon公司发布多层感色CCD技术。在Foveon公司发表X3技术之前，一般CCD的结构是类似以蜂窝状的滤色版（见下图），下面垫上感光器，藉以判定入射的光线是RGB三原色的哪一种。
然而，蜂窝技术（美国又称为马赛克技术）的缺点在于：分辨率无法提高，辩色能力差以及制作成本高昂。也因此，这些年来高阶CCD的生产一直被日本所垄断。新的X3技术让电子科技成功的模仿“真实底片”的感色原理（见下图），依光线的吸收波长逐层感色，对应蜂窝技术一个像素只能感应一个颜色的缺点，X3的同样一个像素可以感应3种不同的颜色，大大提高了影像的品质与色彩表现。
X3还有一项特性，那就是支持更强悍的CCD运算技术VPS(Variable Pixel Aize)。透过“群组像素”的搭配（见下图）。X3可以达到超高ISO值（必须消减分辨率），高速VGA动画录像。比Super CCD更强悍的在于X3每一个像素都可以感应三个色彩值，就理论上来说X3的动画拍摄在相同速度条件下，可能比SuperCCD III还来得更精致。
4．SONY 四色感应 CCD
传统的CCD为三原色矩阵新SONY CCD将浅绿色加入新一代的CCD不仅在省电及功率上做文章，对色彩的表现有了更多的着墨。日本SONY公司一改以往三色CCD的传统，创新推出一个具备『新颜色』的四色过滤器CCD命名为ICX456。新增的E这个颜色是EMERALD 祖母绿！不同于以往三个原色 RGB，“E”这个颜色加强了对自然风景的解色能力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。应用的效果有点类似喷墨打印机加装淡蓝和洋红这两支淡色，以期能够增强混色能力与效果，此外配合新色阶的CCD，SONY 也开发了新图像处理机，不仅有效的减少了30％的功率消耗，更加快了处理速度和绿色色阶分析能力。
这项发明的特点在于传统的数字照相机主要使用3原色过滤矩阵，对每一个光点（或称画素 PIXEL）产生 3种不同颜色的强度：红色的(R),绿色(G)和蓝(B)颜色数据，再将这些数据与彩色电视或监视器整合发色，形成我们所看到的影像。然而，根据实验指出人类视觉系统对绿色的敏感度要高于其它红色和蓝色，这也使传统的CCD矩阵对颜色的配比采取了红、蓝25％，绿色50％的现象。可是对颜色差别仍无法在这样的配比中得到修正，起因则是人类的视觉比较接近模拟效果，而非切割成数字阶层。为了让风景的颜色更加逼真，SONY 这项技术有效的将深绿、浅绿分别导引取样！对绿色的忠实再生有莫大的助益。
电荷藕合器件 编辑词条专家发言多义词 参与讨论 所属分类： 天文仪器名词 物理学 电子元件 电学 电磁学 自然科学
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电荷藕合器件-电荷藕合器件(CCD)
随着数码相机、手机相机的兴起，图像传感器正逐渐成为半导体产品中最耀眼的明星之一，而在图像传感器中，日商所独占的CCD传感器与百家争鸣的CMOS传感器都在尽力克服自身的缺点，希望成为市场上的主流技术。
电荷藕合器件-CCD与CMOS传感器技术简介
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。CCD与CMOS传感器的结构如图1所示。
CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合组件）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由许多感光单位组成，当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。它就像传统相机的底片一样的感光系统，是感应光线的电路装置，你可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方，当光线与图像从镜头透过、投射到CCD表面时，CCD就会产生电流，将感应到的内容转换成数码资料储存起来。CCD像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。因此，尽管CCD数目并不是决定图像品质的唯一重点，我们仍然可以把它当成相机等级的重要判准之一。目前扫描机、摄录放一体机、数码照相机多数配备CCD。
CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。
CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体组件）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现噪点， 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。
CMOS（左）和CCD（右）两种规格的材料制作的摄像头如图3所示。
电荷藕合器件-CCD的基本工作原理
CCD是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。以下将分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。
（1）MOS电容器
CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属—氧化物—半导体）电容器。但工作原理与MOS晶体管不同。
CCD中的MOS电容器的形成方法是这样的：在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100～150NM的SIO2绝缘层，再在SIO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器（如图4所示）。
CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压VG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。
在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如正栅压VG进一步增加，接口上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。这样随着表面电势的进一步增加，在接口上的电子层形成反型层。而一旦出现反型层，MOS就认为处于反型状态（如图4所示）。显然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。反型层的电子来自耗尽层的电子—空穴对的热产生过程。对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。因此在加有直流电压的金属板上迭加小的交流信号时，反型层中电子数目不会因迭有交流信号而变化。
（2）电荷存储
当一束光投射到MOS电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入SI衬底，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子—空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存储。从而表明了CCD存储电荷的功能。一个CCD检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。
图5表示了SI-SIO2的表面电势VS与存储电荷QS的关系。曲线的直线性好，说明两者之间有良好的反比例线性关系，这种线性关系很容易用半导体物理中“势阱”的概念来描述。电子所以被加有栅极电压VG的MOS结构吸引到SI-SIO2的交接面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与电极电压的关系恰如表面势VS与电荷QS的线性关系，如图6(A)所示。图6(B)为反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，如图6(C)所示，此时表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。
（3）电荷转移
为了便于理解在CCD中势阱电荷如何从一个位置移到另一个位置，取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察，见图7。
假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其它电极上均加有大于域值电压的较低电压（例如2V）。设图7（A）为零时刻（初始时刻），过T1时刻后，各电极上的电压变为如图7（B）所示，第二个电极仍保持为10V，第三个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧（间隔只有几微米），他们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下的势阱所共有，如图7（B）和7（C）所示。若此后电极上的电压变为图7（D）所示，第二个电极电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图7（E）。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。图7所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图7（F）所示，这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷耦合（传输）方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐个单元的转移。另外必须强调指出的是，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极下转移到相邻电极下。这对于图7所示的电极结构是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极转移。CCD便不能在外部时钟脉冲的作用下正常工作。
（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。
电荷藕合器件-CCD的光谱分析特性
（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。
电荷藕合器件-CCD的种类
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
电荷藕合器件-CCD 尺寸
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。
电荷藕合器件-CCD与CMOS传感器的差异
由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：
(1) 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
(2) 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
(3) 分辨率差异： 如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，目前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的OV2610，2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。
(4) 噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。
(5) 功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。
综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。
电荷藕合器件-CCD技术的发展
随着用户的要求不断提高，传统的CCD技术已经没有办法满足现在使用者对数字影像的需求。为了迎合用户需求，占领市场，近几年一些厂商又推出了几种新的CCD技术：
（1）FULL FRAME CCD 与INTERLINE TRANSFER CCD
典型的消费级的数码相机，用的一般都是INTERLINE TRANSFER CCD。它的结构如下图。把一块半导体上集成制造出感光器件：光电二极管，和一些电路。每个单元呈整齐的矩阵式排列，多少行多少列。行数乘以列数就是这个CCD的象素数量。每个象素单元中（左下角的小图），有大约30％的面积用来制造光电二极管（红色部分）。在剩余的可用面积中，会放置一个SHIFT REGISTER（紫色部分，转移寄存器）。在接受一个指令后，光电二极管感受到的光强，会被放置在这个SHIFT REGISTER中并保持住。这是一个模似量。
下一步，就是把这每一个象素中的光强值，变成数字量，再由相机中的处理器组合成一幅数字图像。首先并行时钟启动第一行；串行时钟依次启动第1、2、3……列。这样第一行中和每个像素都被按顺序送出CCD，进入A/D CONVERTER（模拟／数字转换器，这种器件专门用来把模拟量转换成数字量）。然后并行时钟启动第二行；串行时钟依次启动第1、2、3……列。这样第一行中和每个像素都被按顺序送出CCD，进入A/D CONVERTER。这样依次下去，每一行每一列的像素都被有序的转换成数字信号。相机的处理器再把这些数字化的象素组合成一幅数字图像。
每一个像素单元中的SHIFT REGISTER整齐的排成一列列的，把真正起感光作用的光电二极管夹在中间。所以这种器件被叫作：INTERLINE TRANSFER CCD。由于每个象素单元中，真正用于感光的面积只占30%左右，那么它的感光效率就比较低。所以在真正的成品中，会在每个象素单元的上面，再造一个MICROLENSES(微镜)，在图的左下角就是MICROLENSES的示意图。光学镜片在光电二极管的正上方，面积造得比较大，这样就能把更多的入射光集中到光电二极管上，使等效的感光面积达到象素面积的70%左右。
由于有SHIFT REGISTER的存在，INTERLINE TRANSFER CCD就不需要机械快门。用电信号指示SHIFT REGISTER把光电二极管的输出信号保持住，就已经完成了采样过程。这就是电子快门。SHIFT REGISTER的存在，也使INTERLINE TRANSFER CCD可以输出视频信号。我们在彩色液晶取景器上能够看到活动的影像，也是SHIFT REGISTER的功劳。
KODAK专业产品中采用的CCD，是FULL FRAME TRANSFER。在每个像素单元中，有70%的面积用来制造光电二极管。整个像素的框内几乎全是感光面积。不需要也没办法放置更大面积的MICROLENSES来提高它的采光量。它的读出顺序和INTERLINE TRANSFER CCD是一样的。这种结构的好处是，可以得到尽量大的光电二极管，达到更好的成像质量。可以说，同样的CCD面积，FULL FRAME肯定会有更好的性能。缺点：这种CCD不能输入VIDEO图像。不能用液晶显示屏做取景器。必须以机械快门配合工作。并且机械快门限制它的最高快门速度。
NIKON D100采用的是全帧(FULL FRAME TRANSFER)CCD，与中间列传输(INTERLINE TRANSFER)CCD相比较，全帧传输CCD在感光器件中的每个光电二极管的有效像素的面积更大，从而可以捕捉到更多的影像数据。一般而言，全帧传输CCD能够捕捉到的有效影像数据大约是中间列传输CCD的两倍，从而具有更大的动态范围、更低的噪声和较高的灰级灵敏度等优点，从而改善了暗部和高光部分的细节表现。
（2）SUPER CCD
从上述的文章中我们可以了解，CCD的感光点排列是影响CCD感光范围和动态能力的关键。早期的CCD都是井然有序的“耕田”状。当CCD技术到了日本富士手中，工程师开始省思CCD一定要这样排列吗？为了兼具INTERLINE TRANSFER CCD的低成本设计，又要能兼顾FULL FRAME CCD的大感光面积，富士提出了一个跌破专家眼镜的折衷方案SUPER CCD。SUPER CCD是目前市面上唯一使用蜂巢式结构的CCD，其藉助八边形几何构造和间断排列，以INTERLINE TRANSFER CCD的方式为基本，争取最大限度的CCD有效面积利用率。但，早先的技术让通道过于拥挤，产生了不良的噪声，时至今日SUPER CCD已经发展进入第三代，几乎所有不良的缺点都已经改进。
2002年初，富士发布第三代Super CCD。2003年初，富士发布第四代Super CCD。（见下图）。新一代的SuperCCD有 Super CCD HR和 SR 两种规格。Super CCD HR(High Resolution)强调富士专利科技在固定面积大小的CCD 芯片上分辨率再提高。HR 技术能在1/1.7英吋的CCD上制造出663万画素的感光元素，搭配新一代的 HR 感光器的数字相机将可以输出 1230万纪录画素的照片（如同旧款300万画素 SuperCCD可以输出 600万画素的效果一样），这款 HR CCD 的输出效果将可媲美 Fujifilm 现役旗舰级 S2PRO 的画质效果。
另一款 Super CCD SR 则是全新CCD结构，如同 HR一样，应用了新微细化技术的 CCD SR，可以在1/1.7英吋的CCD上做出 670万画素的元素（HR为 663万）。所不同的是 SR 强调更高的动态范围（ Dynamic Range)，号称可达过去产品的4倍以上。造成这项差异的主要关键，在于 CCD SR 采用了有别以往的新型结构：SR整合了负责感光度高的S画素(见图：面积较大)以及能对一般动态范围以外作用的R画素(面积较小)。通过对这两种不同画素的运算整合，SuperCCD SR 将获得比以往单一感光结构之CCD更高的感光度和更宽的动态范围。 过去，单一架构的感光原件，对动态范围以外，也就是高光 亮部分和暗色部分。因为，无法调整灵敏度去适应（必须兼顾中间范围的显示品质），忍痛损失这部分的细节。而传统底片则可以藉由涂布较细的感色感光粒子来克服这样的困扰，所以当数字影像与传统影像相比时，动态范围往往是传统胜出的关键。富士的新技术显然克服了当原件更密集时所产生的噪声干扰，SR 的技术是利用 335万S画素和335万R画素整合为 670万的表现，这种分工合作的方式，目前在业界还是首例。
2002年2月，美国Foveon公司发布多层感色CCD技术。在Foveon公司发表X3技术之前，一般CCD的结构是类似以蜂窝状的滤色版（见下图），下面垫上感光器，藉以判定入射的光线是RGB三原色的哪一种。
然而，蜂窝技术（美国又称为马赛克技术）的缺点在于：分辨率无法提高，辩色能力差以及制作成本高昂。也因此，这些年来高阶CCD的生产一直被日本所垄断。新的X3技术让电子科技成功的模仿“真实底片”的感色原理（见下图），依光线的吸收波长逐层感色，对应蜂窝技术一个像素只能感应一个颜色的缺点，X3的同样一个像素可以感应3种不同的颜色，大大提高了影像的品质与色彩表现。
X3还有一项特性，那就是支持更强悍的CCD运算技术VPS(Variable Pixel Aize)。透过“群组像素”的搭配（见下图）。X3可以达到超高ISO值（必须消减分辨率），高速VGA动画录像。比Super CCD更强悍的在于X3每一个像素都可以感应三个色彩值，就理论上来说X3的动画拍摄在相同速度条件下，可能比SuperCCD III还来得更精致。
4．SONY 四色感应 CCD
传统的CCD为三原色矩阵新SONY CCD将浅绿色加入新一代的CCD不仅在省电及功率上做文章，对色彩的表现有了更多的着墨。日本SONY公司一改以往三色CCD的传统，创新推出一个具备『新颜色』的四色过滤器CCD命名为ICX456。新增的E这个颜色是EMERALD 祖母绿！不同于以往三个原色 RGB，“E”这个颜色加强了对自然风景的解色能力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。应用的效果有点类似喷墨打印机加装淡蓝和洋红这两支淡色，以期能够增强混色能力与效果，此外配合新色阶的CCD，SONY 也开发了新图像处理机，不仅有效的减少了30％的功率消耗，更加快了处理速度和绿色色阶分析能力。
这项发明的特点在于传统的数字照相机主要使用3原色过滤矩阵，对每一个光点（或称画素 PIXEL）产生 3种不同颜色的强度：红色的(R),绿色(G)和蓝(B)颜色数据，再将这些数据与彩色电视或监视器整合发色，形成我们所看到的影像。然而，根据实验指出人类视觉系统对绿色的敏感度要高于其它红色和蓝色，这也使传统的CCD矩阵对颜色的配比采取了红、蓝25％，绿色50％的现象。可是对颜色差别仍无法在这样的配比中得到修正，起因则是人类的视觉比较接近模拟效果，而非切割成数字阶层。为了让风景的颜色更加逼真，SONY 这项技术有效的将深绿、浅绿分别导引取样！对绿色的忠实再生有莫大的助益。
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