CCD 圖像傳感器 —— 顛覆人類記錄影像的方式

基于半導(dǎo)體技術(shù)的 CCD 圖像傳感器改變了人類用膠片記錄影像的歷史。時(shí)至今日，數(shù)字化影像不僅是科學(xué)分析的重要工具，也深入每個(gè)人的日常生活

維納德?波利（左）和喬治?史密斯（右）在 1969 年發(fā)明了 CCD 技術(shù)  來源：文獻(xiàn) [1]

2009 年，維納德?波利（Willard S. Boyle）和喬治?史密斯（George E. Smith）因?yàn)榘l(fā)明 CCD（Charge-coupled Device，電荷耦合元件，或稱為 CCD 圖像傳感器）而獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)主席約瑟夫?諾德格倫（Joseph Nordgren）在宣布該獎(jiǎng)項(xiàng)的新聞發(fā)布會(huì)上說：“當(dāng)今社會(huì)的記錄影像的方式完全基于 CCD 的研究。” “這項(xiàng)研究的實(shí)際意義是巨大的…… 它改變了我們的生活，不僅在科學(xué)領(lǐng)域，而且在整個(gè)社會(huì)領(lǐng)域?！?/span>

膠片時(shí)代

在 1975 年數(shù)碼相機(jī)發(fā)明以前，人們記錄影像的方式是使用膠片。它的工作過程可以概述為：光線經(jīng)過照相機(jī)鏡頭，然后由快門的速度來決定曝光量的多少。光線使膠片上的銀鹽產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，最后在膠片上生成影像的潛影。經(jīng)過暗房里的沖洗形成影像并制成底片。利用調(diào)配將底片顯影最終印出。

CCD 的發(fā)明

1969 年 10 月，史密斯和波利在貝爾實(shí)驗(yàn)室吃午餐時(shí)，討論產(chǎn)生了靈感。午餐后繼續(xù)探討，當(dāng)天就構(gòu)想出了 CCD 這個(gè)無處不在的成像發(fā)明。不過，從造出樣機(jī)到研制出科學(xué)家和攝影師都可以使用的實(shí)用技術(shù)，這條路漫長而艱難。盡管 CCD 后來主宰了天文學(xué)領(lǐng)域，但它在剛發(fā)明時(shí)分辨率非常低，根本派不上實(shí)際用場。當(dāng)時(shí) CCD 的信噪比很差，不大容易看得出它是否會(huì)有遠(yuǎn)大的前程。

第一個(gè) CCD 器件 來源：文獻(xiàn) [4]

第一個(gè) CCD 集成器件  來源：文獻(xiàn) [4]

早期的線性成像 CCD  來源：文獻(xiàn) [4]

在接下來的時(shí)間里，成百上千的科學(xué)家和工程師努力奮斗，逐步將 CCD 推向?qū)嵱没?，包括美國的仙?(Fairchild)、柯達(dá)泰克 (Tektronix) 和德州儀器 (Texas Instruments，TI)，以及日本的夏普 (Sharp)、索尼 (SONY)、東芝 (Toshiba) 和日本電氣 (NEC) 等公司都作出了許多貢獻(xiàn)。航天、科學(xué)和消費(fèi)等方面的應(yīng)用，都得益于為解決 CCD 問題而從不同渠道投入的經(jīng)費(fèi)，但是問題還是很棘手，那是一條非常艱苦的發(fā)展之路。

CCD 的原理

CCD 是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。CCD 上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素 (Pixel)。像素?cái)?shù)越高，面積越大，成像質(zhì)量就越高越清晰。CCD 上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線、儲(chǔ)存信號(hào)并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給相鄰的圖像處理器來形成圖像。

MOS 電容器是構(gòu)成 CCD 的最基本單元，它是金屬 — 氧化物 — 半導(dǎo)體（MOS）器件中結(jié)構(gòu)最為簡單的。

MOS 電容器  來源：文獻(xiàn) [4]

CCD 的基本工作過程主要是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和檢測：

（1）信號(hào)電荷的注入（產(chǎn)生）：在 CCD 中，電荷注入的方式可分為光注入和電注入兩類。當(dāng)光照射到 CCD 硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，多數(shù)載流子被柵極電壓排斥，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號(hào)電荷。

背照式光注入  來源：文獻(xiàn) [8]

所謂電注入就是 CCD 通過輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，然后將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷注入到相應(yīng)的勢阱中。電注入常用的有電流注入和電壓注入兩種方式。

電注入方式  來源：文獻(xiàn) [8]

（2）信號(hào)電荷的存儲(chǔ)：CCD 工作過程的第二步是信號(hào)電荷的收集，就是將入射光子激勵(lì)出的電荷收集起來成為信號(hào)電荷包的過程。

當(dāng)向 SiO2 表面的電極加正偏壓時(shí)，P 型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)，形成電荷包（勢阱）。對(duì)于 N 型硅襯底的 CCD 器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。

電荷存儲(chǔ)  來源：文獻(xiàn) [8]

（3）信號(hào)電荷的傳輸（耦合）：CCD 工作過程的第三步是信號(hào)電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來的電荷包從一個(gè)像元轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。

電荷轉(zhuǎn)移  來源：文獻(xiàn) [7]

三相 CCD 中電荷的轉(zhuǎn)移方式

(a）初始狀態(tài)；(b) 電荷由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；(c) 電荷在①、②電極下均勻分布；(d) 電荷繼續(xù)由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；(e) 電荷完全轉(zhuǎn)移到②電極；(f) 三相交疊脈沖

來源：文獻(xiàn) [8]

（4）信號(hào)電荷的檢測：CCD 工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級(jí)的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過程。

其中電荷輸出類型，主要有三種：1）電流輸出；2）浮置柵放大器輸出；3）浮置擴(kuò)散放大器輸出。

電荷檢測電路  來源：文獻(xiàn) [8]

CCD 工作過程示意圖  來源：文獻(xiàn) [6]

CCD 圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的 MOS（金屬 — 氧化物 — 半導(dǎo)體）電容器組成的陣列。在 P 型或 N 型硅襯底上生長一層很薄（約 120nm）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極），形成規(guī)則的 MOS 電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了 CCD 芯片。

按照像素排列方式的不同，可以將 CCD 分為線陣和面陣兩大類。

線陣 CCD 每次掃描一條線，為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號(hào)，就必須用掃描的方法實(shí)現(xiàn)。線陣 CCD 又分為單溝道線陣 CCD 和雙溝道線陣 CCD。

單溝道線陣 CCD：轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低。只適用于像素單元較少的成像器件。

雙溝道線陣 CCD：轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也提高為原來的兩倍。

線陣 CCD   來源：文獻(xiàn) [6]

面陣 CCD：按照一定的方式將一維線陣 CCD 的光敏單元及移位寄作器排列成二維陣列。就可以構(gòu)成二維面陣 CCD。面陣 CCD 同時(shí)曝光整個(gè)圖像。

幀轉(zhuǎn)移面陣 CCD—— 優(yōu)點(diǎn)：電極結(jié)構(gòu)簡單，感光區(qū)面積可以很小。缺點(diǎn)：需要面積較大暫存區(qū)。

幀轉(zhuǎn)移面陣 CCD 結(jié)構(gòu)及工作過程  來源：文獻(xiàn) [6]

隔列轉(zhuǎn)移面陣 CCD—— 優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)移效率大大提高。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

隔列轉(zhuǎn)移面陣 CCD 結(jié)構(gòu)及工作過程  來源：文獻(xiàn) [6]

CCD 功能示意圖  來源：文獻(xiàn) [7]

CCD 的發(fā)展

CCD 的發(fā)明具有劃時(shí)代的意義，它的出現(xiàn)使得人類捕捉信息達(dá) 85% 的眼睛這個(gè)重要器官得到了極大擴(kuò)展與延申。

促進(jìn) CCD 快速發(fā)展主要有三個(gè)因素：首先，CCD 的尺寸小，重量輕，消耗功率少，超低噪聲，動(dòng)態(tài)范圍較大，線性良好，可靠，耐用。第二，這種器件在形狀、快速、外形質(zhì)量和成本方面能與真空管抗衡。第三，空間成像應(yīng)用需要新的探測器。

20 世紀(jì) 70 年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制了世界上第一只 CCD，它的誕生使成像、攝像等技術(shù)呈現(xiàn)一次飛躍。1973 年，仙童公司把 CCD 技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，制造出第一只商用 CCD 成像器件，這開辟了 CCD 在工業(yè)領(lǐng)域的道路。80 年代后期，CCD 在大多數(shù)視頻應(yīng)用中取代了電子管。進(jìn)入 90 年代后，CCD 應(yīng)用于分辨成像，廣泛應(yīng)用于專業(yè)電子照相、空間探測、X 射線成像及其他科研領(lǐng)域。

市場應(yīng)用的結(jié)果證明 CCD 是科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大技術(shù)變革。它在被忽視數(shù)十年之后，能獲得 2009 年的諾貝爾獎(jiǎng)可謂實(shí)至名歸。

變革不停

但是，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步一刻也不曾停止。1998 年，CMOS 圖像傳感器（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor，CIS）誕生了。CMOS 的光電信息轉(zhuǎn)換功能與 CCD 的基本相似，區(qū)別就在于這兩種傳感器的光電轉(zhuǎn)換后信息傳送的方式不同。CMOS 具有讀取信息的方式簡單、輸出信息速率快、耗電少 (僅為 CCD 芯片的 1/10 左右)、體積小、重量輕、集成度高、價(jià)格低等特點(diǎn)。從 2008 年開始，各大廠商都開始逐漸把背照式 CMOS 使用在不同的數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品上。從此，CMOS 圖像傳感器迅速發(fā)展。

科技不斷發(fā)展，相信在未來的某一天，一定會(huì)有更多種類的傳感器出現(xiàn)，這也只是時(shí)間的問題，到那時(shí)我們回望過去，看看我們曾經(jīng)經(jīng)歷過的膠片時(shí)代、CCD 時(shí)代和 CMOS 時(shí)代，一定會(huì)由衷的感嘆科技日新月異的飛速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

• https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/summary/

• 張汝京. 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)背后的故事 [M]. 清華大學(xué)出版社， 2013.

• 董藝婷. 攝影技術(shù)的發(fā)展及對(duì)當(dāng)代社會(huì)的作用研究 [D].哈爾濱師范大學(xué)，2016.

• Smith, G. E. (2009). "The invention and early history of the CCD." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 607(1): 1-6.

• https://www.microscopyu.com/digital-imaging/introduction-to-charge-coupled-devices-ccds

• https://www.mega-9.com/tech/tech-45.html

• https://specinstcameras.com/what-is-a-ccd/

• 王慶有. 圖像傳感器應(yīng)用技術(shù) [M]. 電子工業(yè)出版社， 2019.

• https://www.docin.com/p-505990925.html

• http://dc.yesky.com/88/31913588all.shtml