CCD感測器

CCD感測器是一種新型光電轉換器件，它能存儲由光產生的信號電荷。當對它施加特定時序的脈衝時，其存儲的信號電荷便可在CCD內作定向傳輸而實現自掃描。它主要由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成。它具有光電轉換、信息存貯和延時等功能，而且集成度高、功耗小，已經在攝像、信號處理和存貯3大領域中得到廣泛的應用，尤其是在圖像感測器應用方面取得令人矚目的發展。CCD有面陣和線陣之分，面陣是把CCD像素排成1個平面的器件；而線陣是把CCD像素排成1直線的器件。由於在軍事領域主要用的是面陣CCD，因此這裡主要介紹面陣CCD。

面陣CCD：允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動物體。

面陣CCD的結構一般有3種。第一種是幀轉性CCD。它由上、下兩部分組成，上半部分是集中了像素的光敏區域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存儲區域。其優點是結構較簡單並容易增加像素數，缺點是CCD尺寸較大，易產生垂直拖影。第二種是行間轉移性CCD。它是目前CCD的主流產品，它們是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特點是在1個單片上，價格低，並容易獲得良好的攝影特性。第三種是幀行間轉移性CCD。它是第一種和第二種的複合型，結構複雜，但能大幅度減少垂直拖影並容易實現可變速電子快門等優點。

線陣CCD：用一排像素掃描過圖片，做三次曝光——分別對應於紅、綠、藍 三色濾鏡，正如名稱所表示的，線性感測器是捕捉一維圖像。初期應用於廣告界拍攝靜態圖像，線性陣列，處理高解析度的圖像時，受局限於非移動的連續光照的物體。

三線感測器CCD：在三線感測器中，三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡，當捕捉彩色圖片時，完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD感測器多用於高端數碼相 機，以產生高的解析度和光譜色階。

交織傳輸CCD：這種感測器利用單獨的陣列攝取圖像和電量轉化，允許在拍攝下一圖像時在讀取當前圖像。交織傳輸CCD通常用於低端數碼相機、攝像機和拍攝動畫的廣播拍攝機。

全幅面CCD：此種CCD具有更多電量處理能力，更好動態範圍，低噪音和傳輸光學解析度，全幅面CCD允許即時拍攝全彩圖片。全幅面CCD由并行浮點寄存器、串列浮點寄存器和信號輸出放大器組成。全幅面CCD曝光是由機械快門或閘門控制去保存圖像，并行寄存器用於測光和讀取測光值。圖像投攝到作投影幕的并行陣列上。此元件接收圖像信息並把它分成離散的由數目決定量化的元素。這些信息流就會由并行寄存器流向串列寄存器。此過程反覆執行，直到所有的信息傳輸完畢。接著，系統進行精確的圖像重組。

CCD是由許多個光敏像元按一定規律排列組成的。每個像元就是一個MOS電容器(大多為光敏二極體)，它是在P 型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000A～15 00A的SiO2,再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅)，在襯底和金屬電極間加上1個偏置電壓，就構成1個MOS電容器。當有1束光線投射到MOS電容器上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入P型Si襯底，襯底中處於價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導帶。光子進入襯底時產生的電子躍遷形成電子－空穴對，電子－空穴對在外加電場的作用下，分別向電極的兩端移動，這就是信號電荷。這些信號電荷儲存在由電極形成的“勢阱”中。

MOS電容器的電荷儲存容量可由下式求得：

QS=Ci×VG×A

式中： QS是電荷儲存量；

Ci是單位面積氧化層的電容； VG是外加偏置電壓；

A是MOS電容柵的面積。

由此可見，光敏元面積越大，其光電靈敏度越高。1個3相驅動工作的CCD中電荷轉移的過程。

(a)初始狀態；(b)電荷由①電極向②電極轉移；(c)電荷在①、②電極下均勻分佈；

(d)電荷繼續由①電極向②電極轉移；(e)電荷完全轉移到②電極；(f)3相交疊脈衝。

假設電荷最初存儲在電極①(加有10V電壓)下面的勢阱中，如圖2(a)所示，加在CCD所有電極上的電壓，通常都要保持在高於某一臨界值電壓Vth，Vth稱為CCD閾值電壓，設Vth=2V。所以每個電極下面都有一定深度的勢阱。顯然，電極①下面的勢阱最深，如果逐漸將電極②的電壓由2V增加到10V，這時，①、②兩個電極下面的勢阱具有同樣的深度，併合並在一起，原先存儲在電極①下面的電荷就要在兩個電極下面均勻分佈，(b)和(c)所示，然後再逐漸將電極下面的電壓降到2V，使其勢阱深度降低，(d)和(e)所示，這時電荷全部轉移到電極②下面的勢阱中，此過程就是電荷從電極①到電極②的轉移過程。如果電極有許多個，可將其電極按照1、4、7…，2、5、8…和3、6、9…的順序分別連在一起，加上一定時序的驅動脈衝，即可完成電荷從左向右轉移的過程。用3相時鐘驅動的CCD稱為3相CCD。

①調製傳遞函數MTF特性：固態圖像感測器是由像素矩陣與相應轉移部分組成的。固態的像素儘管己做得很小，並且其間隔也很微小，但是，這仍然是識別微小圖像或再現圖像細微部分的主要障礙。

②輸出飽和特性：當飽和曝光量以上的強光像照射到圖像感測器上時，感測器的輸出電壓將出現飽和，這種現象稱為輸出飽和特性。產生輸出飽和現象的根本原因是光敏二極體或MOS電容器僅能產生與積蓄一定極限的光生信號電荷所致。

③暗輸出特性：暗輸出又稱無照輸出，系指無光像 信號照射時，感測器仍有微小輸出的特性，輸出來源於暗〔無照)電流。

④靈敏度：單位輻射照度產生的輸出光電流表示固態圖象感測器的靈敏度，它主要與固態圖像感測器的像元大小有關。

⑤彌散：飽和曝光量以上的過亮光像會在象素內產生與積蓄起過飽和信號電荷，這時，過飽和電荷便會從一個像素的勢阱經過襯底擴散到相鄰像素的勢阱。這樣，再生圖像上不應該呈現某種亮度的地方反而呈現出亮度，這種情況稱為彌散現象。

⑥殘像：對某像素掃描並讀出其信號電荷之後，下一次掃描後讀出信號仍受上次遺留信號電荷影響的現象叫殘像。

⑦等效雜訊曝光量：產生與暗輸出(電壓)等值時的曝光量稱為感測器的等效雜訊曝光量。

CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電，不像由二極體組成的CCD，CMOS 電路幾乎沒有靜態電量消耗，只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助於改善人們心目中數碼相機是"電老虎"的不良印象。CMOS主要問題是在處理 快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而過熱。暗電流抑製得好就問題不大，如果抑製得不好就十分容易出現雜點。

此外，CMOS與CCD的圖像數據掃描方法有很大的差別。例如，如果解析度為300萬像素，那麼CCD感測器可連續掃描300萬個電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個人傳給另一個人，並且只有在最後一個數據掃描完成之後才能將信號放大。CMOS感測器的每個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此，CMOS感測器可以在每個像素基礎上進行信號放大，採用這種方法可節省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進行快速數據掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術。

CCD與CMOS感測器是被普遍採用的兩種圖像感測器，兩者都是利用感光二極體(photodiode)進行光電轉換，將圖像轉換為數字數據，而其主要差異是數字數據傳送的方式不同。

CCD感測器中每一行中每一個像素的電荷數據都會依次傳送到下一個像素中，由最底端部分輸出，再經由感測器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS感測器中，每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路，用類似內存電路的方式將數據輸出。

造成這種差異的原因在於：CCD的特殊工藝可保證數據在傳送時不會失真，因此各個像素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生雜訊，因此，必須先放大，再整合各個像素的數據。

由於數據傳送方式不同，因此CCD與CMOS感測器在效能與應用上也有諸多差異，這些差異包括：

由於CMOS感測器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極體構成(含放大器與A/D轉換電路)，使得每個象素的感光區域遠小於象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS感測器的靈敏度要低於CCD感測器。

由於CMOS感測器採用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到感測器晶元中，因此可以節省外圍晶元的成本；除此之外，由於CCD採用電荷傳遞的方式傳送數據，只要其中有一個象素不能運行，就會導致一整排的數據不能傳送，因此控制CCD感測器的成品率比CMOS感測器困難許多，即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破50%的水平，因此，CCD感測器的成本會高於CMOS感測器。

CMOS感測器的每個象素都比CCD感測器複雜，其象素尺寸很難達到CCD感測器的水平，因此，當比較相同尺寸的CCD與CMOS感測器時，CCD感測器的解析度通常會優於CMOS感測器的水平。例如，市面上CMOS感測器最高可達到210萬象素的水平(OmniVision的 OV2610，2002年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但解析度卻能高達513萬象素，象素尺寸也只有2.78μm的水平。

由於CMOS感測器的每個感光二極體都需搭配一個放大器，而放大器屬於模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持一致，因此與只有一個放大器放在晶元邊緣的CCD感測器相比，CMOS感測器的雜訊就會增加很多，影響圖像品質。

CMOS感測器的圖像採集方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD感測器為被動式採集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到12~18V；因此，CCD感測器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅動電壓更使其功耗遠高於CMOS感測器的水平。舉例來說，OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下運行，功耗僅為40mW；而致力於低功耗CCD感測器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級的產品，其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發熱量比CMOS大，不能長時間在陽光下工作。

綜上所述，CCD感測器在靈敏度、解析度、雜訊控制等方面都優於CMOS感測器，而CMOS感測器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS感測器技術的進步，兩者的差異有逐漸縮小的態勢，例如，CCD感測器一直在功耗上作改進，以應用於移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo)；CMOS感測器則在改善解析度與靈敏度方面的不足，以應用於更高端的圖像產品。