前言

提到CCD或CMOS，即使是攝影愛好者（進階者除外）也可能會不知所云。但如果說「相機芯片」「影像傳感器」「全畫幅芯片」之類的，大家便會瞬間覺得熟悉很多。在不嚴謹討論的情況下，我們大概可以認為CCD、CMOS和影像傳感器就是一回事，但事實上它們并不等價，不能混為一談。

并非影像君故弄玄虛，而是因為CCD和CMOS分別代表了兩種主流的、不同設(shè)計、不同原理的影像傳感器技術(shù)——這便是本文想要探討的話題。我們不僅要討論「是什么」（What），而且還要嘗試討論「如何」（How）和「為什么」（Why）。

「芯片」的話題很大，我們不妨先從半導(dǎo)體的概念開始說起。

一、半導(dǎo)體

「半導(dǎo)體」是一個相對導(dǎo)體和絕緣體而提出的概念，因此，我們有必要先了解一下何為導(dǎo)體和絕緣體。

1.1 導(dǎo)體、絕緣體

從「導(dǎo)電性」的角度而言，我們大致可將物體分為「導(dǎo)體」和「絕緣體」：前者導(dǎo)電，后者不導(dǎo)電。

是什么本質(zhì)原因導(dǎo)致了兩者在導(dǎo)電性能上的差異呢？這便不得不提「原子結(jié)構(gòu)」的問題。

1913年，丹麥理論物理學(xué)家玻爾（Niels Bohr）在前輩盧瑟福（Ernest Rutherford）的研究基礎(chǔ)上提出了「盧瑟福-玻爾原子模型」，如圖1-1所示：

理論認為，原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，原子核又可細分為帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子，電子則處于原子核外的離散軌道上。電子距原子核越遠（電子軌道越高），其受到的約束力越小。

該模型還從「能級」（energy level）的角度描述了電子的運動特性。電子所處的軌道越高，其能級也越高，反之亦然。最外層的軌道能級最高，通常用「價帶」（valence band）來描述。當吸收能量時，電子受激發(fā)，從低能級（低軌道）向高能級（高軌道）遷躍（如圖1-2所示）。

若吸收的能量足夠多，電子便能突破原子核的束縛，從價帶躍遷至導(dǎo)電帶（conduction band），成為可以自由游動的電子。自由電子越多，則物體導(dǎo)電性能越強。

1.2 半導(dǎo)體

半導(dǎo)體是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，在自然狀態(tài)下，其導(dǎo)電性能接近于絕緣體，但只要有少量電子吸收了能量，便能躍遷至導(dǎo)電帶，成為導(dǎo)體。

常見的半導(dǎo)體材料是在硅（Si）材料中摻雜其它元素，如磷（P）或硼（B）。三者在元素周期表中的位置相鄰，它們有相近的原子結(jié)構(gòu)——最外層的電子數(shù)分別為4、5、3。因此，當在硅材料中摻雜磷元素時，由于兩兩共價而達到穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)，每個磷原子會多出一個自由電子，這種提供自由電子（也稱為「供體」）的半導(dǎo)體稱為「N型半導(dǎo)體」（N為negative的縮寫），如圖1-3所示[1]：

同理，當在硅材料中摻雜硼時，由于共價的關(guān)系，每個硼原子會多出一個呈正極的電子空位，稱為電子穴（hole），這種有吸引電子（也稱為「受體」）能力的材料稱為「P型半導(dǎo)體」（P為positive的縮寫），如圖1-4所示：

1.3 PN結(jié)

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體整合在一起時，便形成了一個PN結(jié)，中間邊界附近、束縛較弱的電子會自由移動并填充P型硅的電子穴，逐漸達到一種動態(tài)平衡，在中間形成了一個耗盡區(qū)（depletion area），如圖1-5所示：

圖1-5

當給兩極施加反向偏壓（即P側(cè)加負電壓，N側(cè)加正電壓）時，耗盡區(qū)增加，導(dǎo)電性能下降；當施加正向偏壓（即P側(cè)加正電壓，N側(cè)加負電壓）時，耗盡區(qū)減少，導(dǎo)電性能上升。這種通過控制偏壓達到單向?qū)щ姷哪繕说脑?，即?strong>二極管。

二、數(shù)字影像之「芯」：CCD

1969年，美國貝爾實驗室的兩位科學(xué)家 Willard Boyle和George E. Smith發(fā)明了數(shù)字影像傳感芯片——CCD。CCD的英文全稱為Charge-Coupled Device，直譯為「電荷耦合設(shè)備」。

2.1 CCD結(jié)構(gòu)

根據(jù)CCD的結(jié)構(gòu)，我們大致可將其分為上下兩大部分：

光學(xué)濾鏡和集成電路。

CCD芯片的表面是一系列光學(xué)濾鏡組件，主要由抗紅外線的微型透鏡和拜耳彩色濾鏡兩部分組成，如圖2-1所示：

拜耳陣列（Bayer array）彩色濾鏡是彩色成像的重要組件，它使用了RGB（紅綠藍）色彩模型。由于人眼對綠色的敏感度是紅色和藍色的兩倍，因此綠色濾鏡的數(shù)量是紅色和藍色的兩倍。

濾鏡下一層便是傳感器集成電路。上面是數(shù)以千萬計的像素（即感光單元），每一個像素均由4個（2個綠色濾鏡、1個紅色濾鏡和1個藍色濾鏡）光電二極管構(gòu)成。像素呈分層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為：多晶硅電極、二氧化硅、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。其橫截面示意圖如圖2-2所示：

2.2 CCD運行原理

繼續(xù)看上面的圖2-2。我們可以看到，PN結(jié)處有一個耗盡區(qū)，當施加反向電壓（上為正極，下為負極）時，電子吸收了入射光的能量而躍遷成為了自由電子，存儲于正電極下方所形成的電勢井（potential well）中。若把電勢井類比為杯子，光生電子（光電效應(yīng)所產(chǎn)生的電子）則類似于杯子里的水。入射光越強，光生電子也越多，杯里的水便越多。

電壓的開啟與關(guān)閉由一系列的時序門電路控制，電勢井會隨著電壓的改變而向鄰近高電壓處遷移，從而達到了電荷轉(zhuǎn)移的目的。其動態(tài)示意圖如圖2-3所示：

2.3 CCD的三種架構(gòu)

CCD設(shè)計通常有三種架構(gòu)：

幀轉(zhuǎn)移（FT）、全幀（FF）和行間轉(zhuǎn)移（IL）。

三種架構(gòu)代表了三種不同的電荷轉(zhuǎn)移方式，其示意圖如圖2-4所示（箭頭即為電荷轉(zhuǎn)移方向）：

下面我們簡單來了解一下這3種架構(gòu)的CCD。

2.3.1 幀轉(zhuǎn)移架構(gòu)

幀轉(zhuǎn)移架構(gòu)（frame transfer）的CCD分為兩部分：影像區(qū)和存儲區(qū)。前者由光電二極管組成，負責(zé)將光電信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號；后者則有遮光涂層，不感光，主要用于存儲并讀取電荷數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-5所示：

平行時鐘控制偏壓電路，將電荷從影像區(qū)轉(zhuǎn)移至存儲區(qū)，系列移位寄存器以「行」為單位讀取電荷數(shù)據(jù)后傳輸至芯片外部的信號放大器。最后一行的電荷數(shù)據(jù)從芯片轉(zhuǎn)移出去之后，開始重復(fù)下一行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移[1]。

此類CCD的優(yōu)點是較高的幀轉(zhuǎn)移效率，無需機械快門。缺點是較低的影像解析度（較小的感光區(qū)，可容納的像素較少）和較高的成本（兩倍的硅基面積）。

2.3.2 全幀架構(gòu)

與幀轉(zhuǎn)移架構(gòu)最大的不同是，全幀架構(gòu)（full frame）的全部區(qū)域均為感光區(qū)，不設(shè)獨立存儲區(qū)。平行移位寄存器位于感光區(qū)下一層，也是以行為單位讀取電荷，余者與幀轉(zhuǎn)移類似。如圖2-6所示：

正如前文所述，為了便于大家理解，可將電勢井類比為杯子，電子類比為水，則，其電荷轉(zhuǎn)移原理示意圖可用圖2-7來表示：

此類CCD的優(yōu)點是：擁有更高的芯片使用率，制作成本相對低廉。若寄存器在讀取光電二極管的數(shù)據(jù)時，后者仍然處于曝光狀態(tài)，則最終的影像將會出現(xiàn)拖尾效應(yīng)（如圖2-8所示）。因此，此類CCD需配合機械快門一起使用，后者起到了遮光和控制曝光的作用。

2.3.3 行間轉(zhuǎn)移架構(gòu)

行間轉(zhuǎn)移架構(gòu)（interline transfer）在外觀設(shè)計上與全幀CCD類似，不同之處在于，每個像素旁邊即有一個不感光的寄存器，每兩個像素成對耦合在一起，電荷以「每兩個像素為單位」轉(zhuǎn)移至寄存器，這便是「電荷耦合」名稱的由來。如圖2-9所示：

此類型CCD最大的優(yōu)點是，無需搭配機械快門，較高的幀轉(zhuǎn)移效率，因此，影像拖尾效應(yīng)也相對減少。缺點是，更復(fù)雜的設(shè)計架構(gòu)和更高的制作成本。

三、數(shù)字影像之「芯」：CMOS

3.1 CMOS結(jié)構(gòu)

1992年，美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室科學(xué)家Eric Fossum博士發(fā)表了長篇論文，討論了有源像素傳感器技術(shù)的應(yīng)用，后來便有了CMOS傳感器的出現(xiàn)。

CMOS，英文全稱為Complementary Metal-Oxide Semiconductor，譯為「互補金屬氧化物半導(dǎo)體」。CMOS影像傳感器主要由以下四部分構(gòu)成：

（1）微透鏡：位于傳感器最頂層，主要作用是將入射光線聚焦于光電二極管，提高光線的利用率。

（2）彩色濾鏡：與CCD類似，也是拜耳濾鏡，包含紅、綠、藍三種顏色，用于過濾不同波長的光線。

（3）金屬連接層（電路）：金屬（鋁或銅）連接線和氧化物保護膜。

（4）硅基：內(nèi)置主要元件為光電二極管，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。

其橫截面示意圖如圖3-1所示：

3.2 CMOS運行原理

與CCD最大的不同是，CMOS的每個像素都內(nèi)置有一個獨立的信號放大器，因此，CMOS傳感器也被稱為有源像素傳感器（APS，Active Pixel Sensor）。光線進入CMOS后與光電二極管發(fā)生光電效應(yīng)，偏壓門電路控制后者的光敏性，從上至下逐行掃描式曝光，每個像素內(nèi)產(chǎn)生的電信號均被立即放大（相關(guān)知識，可閱讀影像派之前的文章《攝影知識科普 | 你最熟悉的「快門」，卻藏有這些你最陌生的認知》）。傳感器的每一列都有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）， 以「列」為單位讀取電荷數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)移至并行處理總線，然后輸送至信號放大器，最后傳至圖像處理器。

示意圖如圖3-2所示：

3.3 前照式 vs 背照式

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，CMOS影像傳感器可分為「前照式」和「背照式」兩種。

傳統(tǒng)CMOS的光電二極管位于傳感器的最底部、金屬線下方，入射光從光電二極管的前面（與電路相連的一側(cè)）進入，此類CMOS傳感器因此被稱為「前照式傳感器」（FSI, Front-side Illuminated Sensor）。如圖3-3所示：

前照式傳感器有一個最大的缺點：

光線在照射到光電二極管時要先經(jīng)過電路，電路中的金屬線會反射一部分入射光，這不僅直接降低了光線的利用率，而且光線的散射也增加了系統(tǒng)的噪聲，降低了傳感器的寬容度。

為了提升傳感器在弱光環(huán)境下的感光表現(xiàn)，減少系統(tǒng)噪聲，后來在前照式設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了改進與升級，將光電二級管置于電路上方，入射光經(jīng)過濾鏡后直接從二極管的背面（背對電路的一側(cè)）進入。因此，此類CMOS被稱為「背照式傳感器」（BSI, Back-side Illuminated Sensor）。如圖3-4所示：

背照式傳感器的優(yōu)點在于：

大大縮短了光線抵達光電二極管的路徑，減少了光線的散射，使光線更聚焦，從而提升了在弱光環(huán)境中的感光能力，減少了系統(tǒng)噪聲和串擾。背照式設(shè)計是CMOS技術(shù)的重大改進，對傳統(tǒng)CMOS具有更大的競爭優(yōu)勢。

四、CCD vs CMOS

最后，我們來簡單對比一下兩類影像傳感器的優(yōu)劣。

4.1 CCD的優(yōu)劣

CCD傳感器的主要優(yōu)點是高畫質(zhì)（噪點較少）和高光敏性（感光區(qū)域面積更大），但同時也有高能耗、易發(fā)熱、制作成本高和低處理效率等缺點。CCD主要應(yīng)用于對畫質(zhì)和寬容度要求較高的領(lǐng)域，如航天、醫(yī)學(xué)等。

4.2 CMOS的優(yōu)劣

由于每像素都有獨立放大器，而且每一列都有模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，CMOS傳感器比CCD有更高的數(shù)據(jù)處理效率高。由于所需電壓比CCD低，能耗也大幅減少，無發(fā)熱問題。低廉的生產(chǎn)成本使得CMOS有技術(shù)應(yīng)用普及、高度商業(yè)化的優(yōu)勢。CMOS的這些優(yōu)點，都是CCD所不具有的。

然而，CMOS并非完美。大量增加了信號放大器固然提升了數(shù)據(jù)處理效率，但同時也無可避免地抬高了系統(tǒng)的底噪，使得最終影像的噪點問題更為突出，畫質(zhì)方面的表現(xiàn)不及CCD。此外，CMOS的像素區(qū)域（感光區(qū)）尺寸不如全幀架構(gòu)CCD，導(dǎo)致前者的弱光表現(xiàn)能力亦不及后者。

雖然CMOS憑借其小尺寸、低成本、低能耗等優(yōu)勢，一直主宰著消費級數(shù)碼相機和手機攝影領(lǐng)域，但并不意味著CCD已被市場淘汰，兩者不是誰取代誰的問題，而是兩者各有千秋，各有各的江湖。

結(jié)語

綜觀全文，我們從原子結(jié)構(gòu)的角度切入，引出了半導(dǎo)體，繼而深入探討了CCD和CMOS，分別向大家簡要介紹了各自的物理結(jié)構(gòu)和運行原理。文章雖長，但依舊難免疏漏，無法做到面面俱到，只因傳感器的真實世界遠比我們想象中要復(fù)雜和浩瀚。限于篇幅與個人能力，【影像派】也只能略陳一二，權(quán)當拋磚引玉。不足之處，還望讀者斧正。

參考文獻

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Concepts in Digital Imaging Technology，hamamatsu.magnet.fsu.edu

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