CCD 圖像傳感器 —— 顛覆人類記錄影像的方式
基于半導體技術的 CCD 圖像傳感器改變了人類用膠片記錄影像的歷史。時至今日,數字化影像不僅是科學分析的重要工具,也深入每個人的日常生活
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202212/441115.htm維納德?波利(左)和喬治?史密斯(右)在 1969 年發明了 CCD 技術 來源:文獻 [1]
2009 年,維納德?波利(Willard S. Boyle)和喬治?史密斯(George E. Smith)因為發明 CCD(Charge-coupled Device,電荷耦合元件,或稱為 CCD 圖像傳感器)而獲得當年的諾貝爾物理學獎。
諾貝爾獎委員會主席約瑟夫?諾德格倫(Joseph Nordgren)在宣布該獎項的新聞發布會上說:“當今社會的記錄影像的方式完全基于 CCD 的研究?!?“這項研究的實際意義是巨大的…… 它改變了我們的生活,不僅在科學領域,而且在整個社會領域?!?/span>
膠片時代
在 1975 年數碼相機發明以前,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:光線經過照相機鏡頭,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生化學反應,最后在膠片上生成影像的潛影。經過暗房里的沖洗形成影像并制成底片。利用調配將底片顯影最終印出。
CCD 的發明
1969 年 10 月,史密斯和波利在貝爾實驗室吃午餐時,討論產生了靈感。午餐后繼續探討,當天就構想出了 CCD 這個無處不在的成像發明。不過,從造出樣機到研制出科學家和攝影師都可以使用的實用技術,這條路漫長而艱難。盡管 CCD 后來主宰了天文學領域,但它在剛發明時分辨率非常低,根本派不上實際用場。當時 CCD 的信噪比很差,不大容易看得出它是否會有遠大的前程。
第一個 CCD 器件 來源:文獻 [4]
第一個 CCD 集成器件 來源:文獻 [4]
早期的線性成像 CCD 來源:文獻 [4]
在接下來的時間里,成百上千的科學家和工程師努力奮斗,逐步將 CCD 推向實用化,包括美國的仙童 (Fairchild)、柯達泰克 (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。航天、科學和消費等方面的應用,都得益于為解決 CCD 問題而從不同渠道投入的經費,但是問題還是很棘手,那是一條非常艱苦的發展之路。
CCD 的原理
CCD 是一種半導體器件,能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD 上植入的微小光敏物質稱作像素 (Pixel)。像素數越高,面積越大,成像質量就越高越清晰。CCD 上有許多排列整齊的電容,能感應光線、儲存信號并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制,每個小電容能將其所帶的電荷轉給相鄰的圖像處理器來形成圖像。
MOS 電容器是構成 CCD 的最基本單元,它是金屬 — 氧化物 — 半導體(MOS)器件中結構最為簡單的。
MOS 電容器 來源:文獻 [4]
CCD 的基本工作過程主要是信號電荷的產生、存儲、轉移和檢測:
(1)信號電荷的注入(產生):在 CCD 中,電荷注入的方式可分為光注入和電注入兩類。當光照射到 CCD 硅片上時,在柵極附近的半導體體內產生電子-空穴對,多數載流子被柵極電壓排斥,少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。
背照式光注入 來源:文獻 [8]
所謂電注入就是 CCD 通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣,然后將信號電壓或電流轉換為信號電荷注入到相應的勢阱中。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 [8]
(2)信號電荷的存儲:CCD 工作過程的第二步是信號電荷的收集,就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。
當向 SiO2 表面的電極加正偏壓時,P 型硅襯底中形成耗盡區(勢阱),耗盡區的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數載流子(電子)被吸收到最高正偏壓電極下的區域內,形成電荷包(勢阱)。對于 N 型硅襯底的 CCD 器件,電極加正偏壓時,少數載流子為空穴。
電荷存儲 來源:文獻 [8]
(3)信號電荷的傳輸(耦合):CCD 工作過程的第三步是信號電荷包的轉移,就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉移到下一個像元,直到全部電荷包輸出完成的過程。
電荷轉移 來源:文獻 [7]
三相 CCD 中電荷的轉移方式
(a)初始狀態;(b) 電荷由①電極向②電極轉移;(c) 電荷在①、②電極下均勻分布;(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) 三相交疊脈沖
來源:文獻 [8]
(4)信號電荷的檢測:CCD 工作過程的第四步是電荷的檢測,就是將轉移到輸出級的電荷轉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)浮置擴散放大器輸出。
電荷檢測電路 來源:文獻 [8]
CCD 工作過程示意圖 來源:文獻 [6]
CCD 圖像傳感器是按一定規律排列的 MOS(金屬 — 氧化物 — 半導體)電容器組成的陣列。在 P 型或 N 型硅襯底上生長一層很?。s 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),形成規則的 MOS 電容器陣列,再加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了 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,為了得到整個二維圖像的視頻信號,就必須用掃描的方法實現。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:轉移次數多、效率低。只適用于像素單元較少的成像器件。
雙溝道線陣 CCD:轉移次數減少一半,它的總轉移效率也提高為原來的兩倍。
線陣 CCD 來源:文獻 [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。就可以構成二維面陣 CCD。面陣 CCD 同時曝光整個圖像。
幀轉移面陣 CCD—— 優點:電極結構簡單,感光區面積可以很小。缺點:需要面積較大暫存區。
幀轉移面陣 CCD 結構及工作過程 來源:文獻 [6]
隔列轉移面陣 CCD—— 優點:轉移效率大大提高。缺點:結構較為復雜。
隔列轉移面陣 CCD 結構及工作過程 來源:文獻 [6]
CCD 功能示意圖 來源:文獻 [7]
CCD 的發展
CCD 的發明具有劃時代的意義,它的出現使得人類捕捉信息達 85% 的眼睛這個重要器官得到了極大擴展與延申。
促進 CCD 快速發展主要有三個因素:首先,CCD 的尺寸小,重量輕,消耗功率少,超低噪聲,動態范圍較大,線性良好,可靠,耐用。第二,這種器件在形狀、快速、外形質量和成本方面能與真空管抗衡。第三,空間成像應用需要新的探測器。
20 世紀 70 年代,美國貝爾實驗室成功研制了世界上第一只 CCD,它的誕生使成像、攝像等技術呈現一次飛躍。1973 年,仙童公司把 CCD 技術應用于商業領域,制造出第一只商用 CCD 成像器件,這開辟了 CCD 在工業領域的道路。80 年代后期,CCD 在大多數視頻應用中取代了電子管。進入 90 年代后,CCD 應用于分辨成像,廣泛應用于專業電子照相、空間探測、X 射線成像及其他科研領域。
市場應用的結果證明 CCD 是科學領域的一項重大技術變革。它在被忽視數十年之后,能獲得 2009 年的諾貝爾獎可謂實至名歸。
變革不停
但是,科學技術的進步一刻也不曾停止。1998 年,CMOS 圖像傳感器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor,CIS)誕生了。CMOS 的光電信息轉換功能與 CCD 的基本相似,區別就在于這兩種傳感器的光電轉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、價格低等特點。從 2008 年開始,各大廠商都開始逐漸把背照式 CMOS 使用在不同的數碼相機產品上。從此,CMOS 圖像傳感器迅速發展。
科技不斷發展,相信在未來的某一天,一定會有更多種類的傳感器出現,這也只是時間的問題,到那時我們回望過去,看看我們曾經經歷過的膠片時代、CCD 時代和 CMOS 時代,一定會由衷的感嘆科技日新月異的飛速發展。
參考文獻
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/summary/
張汝京. 半導體產業背后的故事 [M]. 清華大學出版社, 2013.
董藝婷. 攝影技術的發展及對當代社會的作用研究 [D].哈爾濱師范大學,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. 圖像傳感器應用技術 [M]. 電子工業出版社, 2019.
https://www.docin.com/p-505990925.html
http://dc.yesky.com/88/31913588all.shtml
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