电荷耦合器件

电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD），又称CCD图像传感器^[1]，是一种大规模集成电路光电器件，是在MOS集成电路技术基础上发展起来的新型半导体传感器^[13]。CCD图像传感器集成度高、功耗小^[14]，而且具有量子效率高、电荷传递性优异、噪声低等优点^[15]，已在天文观测^[3]、工业生产^[4][5]、机器人视觉和数码相机等领域广泛应用^[5][6][7]。

1969年10月，美国贝尔实验室的科学家维纳德·波利（W. S. Boyle）和乔治·史密斯（G. E. Smith）发明了CCD技术^[16]，此后，世界各国大力投入进行研究，CCD图像传感器得到了迅猛发展^[17][18]。20世纪70年代初，多家公司陆续开展研究^[19]，该阶段驱动CCD图像传感器发展的主要是天文观测及航天技术^[16]。20世纪80年代开始，CCD图像传感器逐渐取代了摄像机中的电子管^[19]，CCD图像传感器逐渐成为主流的成像技术^[20]。到20世纪80年代后期，CCD图像传感器应用于相机中开始了迅猛的发展^[21]，同时以高清电视节目的出现为契机，推动了CCD图像传感器的高分辨率化^[18][20]。进入20世纪90年代后，CCD被大量用于分辨成像，广泛应用在专业电子照相、空间探测、X射线成像及其他科研领域^[8]，20世纪90年代末，CMOS图像传感技术趋于成熟，逐渐占领了部分图像传感器市场^[22]。

进入21世纪后，世界各国仍在CCD工艺技术和应用开发方面投入了大量的人力物力，开展了众多的研究^[21][19]。但在不久之后，应用CMOS图像传感器的相机异军突起，很快便取代了CCD相机在数码相机中的主导地位^[23]。2008年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式CMOS使用在不同的数码相机产品上，从此，CMOS图像传感器迅速发展，CCD在数码相机上的应用逐渐被CMOS取代^[8]。截至2019年，CMOS图像传感器已取得了迅猛的增长，在民用消费电子市场中也迅速取代了CCD，市场份额已超过99%^[24]。尽管如此，CCD图像传感器因其独特的优点，使其可以捕捉到微弱的信号，能够提供十分优质的低干扰图像，仍然在天文观测、信号检测、广播电视、工业监控和测量等领域得到广泛应用^[15][25][26]。

1969年10月，基于磁包存储器的概念以及硅光电二极管的发展，美国贝尔实验室的科学家维纳德·波利（W. S. Boyle）和乔治·史密斯（G. E. Smith）发明了CCD技术^[16]。CCD是具备储存信号电荷后传输功能的重要技术，与其同时发明的BBD（Bucket brigade device）也有相似的功能，然而，由于CCD在信号电荷传输方面更加完善，尤其适用于图像传感器，因此很快就超过了BBD并成为主流^[21]。CCD的问世给人们的生活带来了极大的方便，波利和史密斯也因此在2009年的10月获得了诺贝尔物理学奖^[22]。

1970年，美国贝尔实验室成功研制了世界上第一只CCD图像传感器，它一经问世，就因其一系列优点而受到人们重视，引起世界各国大力投入进行研究，从而得到了迅猛发展^[17][18]。20世纪70年代初，包括飞兆半导体公司（Fairchild Semiconductor，仙童半导体）、美国无线电公司（Radio Corporation of America）以及德州仪器（Texas Instruments）在内的几家公司陆续开展研究^[19]。

最开始驱动CCD图像传感器发展的主要是天文观测及航天技术^[16]。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）规划的两个重大项目：大型太空望远镜项目（哈勃太空望远镜，1965年）以及喷气推进实验室为行星成像任务开发固态探测器的项目（1972年），都正好需要CCD技术^[27]。1973年，仙童公司首先发布了第一款像素为100×100的商用CCD图像传感器，并于一年后安装在直径为8英寸的天文望远镜上，拍摄了第一张由CCD采集的天文图片^[18][19]。在这之后，1974年，美国率先研制出了面阵CCD图像传感器^[28]，同年，吉尔·阿米里奥博士（Gil Amelio）成功设计了CCD的生产线，批量生产的可能性使CCD迅速商业化^[19]。

20世纪80年代开始，CCD图像传感器逐渐取代了摄像机中的电子管^[19]，其中，日本索尼公司（Sony）于该时期首次推出了具有光电转换能力的CCD相机，这款CCD相机的分辨率较高，可以直接获取图像信息^[22]。1981年，使用MOS型图像传感器的摄影机出现，紧接着在1982年，使用CCD图像传感器的产品也随之登场，经过激烈的竞争，CCD图像传感器逐渐成为主流的成像技术，正式实用化后，许多基本技术也陆续开发出来，包括如何提高画质、拓展图像大小等^[20]。到20世纪80年代后期，随着人们对高分辨率和高画质需求的日益增加，CCD图像传感器应用于相机中开始了迅猛的发展^[21]，同时，以高清电视节目的出现为契机，推动了CCD图像传感器的高分辨率化，也出现了16:9广角的CCD图像传感器^[18][20]。结合应用需要，CCD图像传感器曝光控制技术中的电子快门，电子式手震校正技术等重要技术也陆续被提出并普及应用^[21]。

进入20世纪90年代后，CCD被大量用于分辨成像，广泛应用于专业电子照相、空间探测、X射线成像及其他科研领域^[8]，百万级像素的高分辨率CCD相机、用以提高静止图像分辨率的蜂窝式CCD相继问世，CCD正在向以更小的单位面积，更高地成像质量的方向迅速发展^[21]。20世纪90年代中期，索尼公司通过技术改良对CCD上植入了微小镜片，制造出了Super HAD CCD，CCD感光性增强，提升了成像质量^[28]，德国的Vision Components公司也生产了一批体积小、集成度高的CCD工业相机，该相机具有动态范围小和响应速度快等特点^[22]。随后，索尼公司又分别于1998年、1999年和2003年推出了New Structure CCD、Exview HAD CCD和4 Colour Super HAD CCD，进一步地提高了CCD图像传感器的品质。日本的富士公司则致力于研制 Super CCD，1999 年，富士生产出了第一代 Super CCD，采用独特的八角形光电二极管和蜂窝状的像素排列方式，改善了CCD图像传感器存在的低灵敏度、信噪比等问题，使其具有更广泛的动态范围^[28]。20世纪90年代末，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感技术趋于成熟，逐渐占领了部分图像传感市场^[22]。

进入21世纪后，随着数码相机、手机、航空航天的飞速发展，世界各国在CCD工艺技术和应用开发方面投入了大量的人力物力，开展了众多的研究。在研究如何使CCD图像传感器尺寸缩小、高度集成于便携设备的同时，也在考虑扩大光敏面、提高灵敏度，保证在弱光环境下得到的图片或影像依旧有较高的质量，从而拓宽CCD应用范围的上下限等^[21][19]。在该阶段，CCD成像技术的研制主要以美国、日本、德国、加拿大等国家为主，索尼、三星、安森美、德州仪器、Dalsa等公司拥有全球CCD图像传感器市场的主要份额^[22]。彼时，CCD相机是数码相机中的主流，可好景不长，应用CMOS图像传感器的相机在进入21世纪后异军突起，很快便取代了CCD相机在数码相机中的主导地位^[23]。

新发展起来的CMOS的光电信息转换功能与CCD的基本相似，区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电少（仅为CCD芯片的1/10左右）、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。2008年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式CMOS使用在不同的数码相机产品上，从此，CMOS图像传感器迅速发展，CCD在数码相机上的应用逐渐被CMOS取代^[8]。截至2019年，CMOS图像传感器已取得了迅猛的增长，在民用消费电子市场中也迅速取代了CCD，市场份额已超过99%^[24]。尽管如此，由于CCD图像传感器具有量子效率高、电荷传递性优异、噪声低、像素小等优点，使其可以捕捉到微弱的信号，能够提供十分优质的低干扰图像，仍然在天文观测、信号检测、广播电视、工业监控和测量等领域得到了广泛的应用^[15][25][26]。

CCD图像传感器按照像元排列方式的不同，可以分为线阵列CCD图像传感器和面阵列CCD图像传感器两种类型^[29]。

线阵列CCD：线阵CCD图像传感器由排成直线的MOS光敏元阵列、转移栅和读出移位存器三部分组成。光敏元阵列曝光一段时间后，把光信号转化为电荷信号，再通过转移栅的控制，将一帧图像所对应的电荷包从光敏区转移到移位寄存器中，最后移位寄存器在驱动时钟的作用下，将各光敏元的电荷信号按位输出获得所需要的光电信息^[29][30]。线阵CCD用于高分辨率的静态照相，它每次只拍摄图象的一条线，通过载体的推进完成一幅图像的拍摄，这种CCD精度高，但是速度慢，无法用来拍摄移动的物体，主要用在传真、扫描仪、照相侦查卫星等^[31][32]，还可进一步分为单通道线型CCD和双通道线型CCD^[33]。

面阵列CCD：线阵CCD图像传感器只能在一个方向上实现电子自扫描，为获得二维图像，人们研制出了在两个方向上都能实现电子自扫的面阵CCD图像传感器，面阵CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成^[29]，并有行间转移式、 帧转移式和全帧式等多种结构形式^[30]。面阵CCD的象元排列为一个平面，它包含若干行和列的结合，由于其一次能完成一幅图像的拍摄特性，主要应用于数码相机和摄像机中^[31][32]。

CCD按照电荷转移沟道可分为表面沟道电荷耦合器件（Surface Charge Coupled Device，SCCD）和体内沟道电荷耦合器件（Body Charge Coupled Device，BCCD）两种类型^[30][32]。

表面沟道CCD：表面沟道CCD是一种传统的CCD结构，其中转移沟道位于器件的表面。它的优点是制作工艺相对简单，成本较低，信号处理容量大，适用于需要处理大量信号的应用。但由于界面态的存在，转移效率和精度相对较低，适用于低速和低精度要求的应用场景^[30][32]，一般在像元数目较少的情况下采用^[31]。

体内沟道CCD（埋沟CCD）：体内沟道CCD是一种改进的CCD结构，通过离子注入和外延技术，在氧化层下的半导体表面附近设置一浅n层，将转移沟道置于远离界面的体内，克服了界面态对信号电荷转移的影响，提高了转移效率和精度，同时降低了噪声水平，适用于低光照环境下的应用需求，但其容量相对较小^[30][32]，可以应用于像元数目较多的器件^[31]。

除此之外，CCD图像传感器还有一些其他分类方式，如按光谱分类，可分为可见光CCD、红外CCD、X射线CCD和紫外光CCD，其中可见光CCD又由黑白CCD、彩色CCD和微光CCD构成；如按照受光方式分类，CCD可分为正面光照式（正照式）和背面光照式（背照式）两种^[30][32]。

在数码相机领域，CCD图像传感器是最常用的传感器之一，其能将光学信号转换成能被计算机存取的数字信号，使摄影测量真正进入全数字摄影测量时代。在数码相机中，CCD图像传感器通常被安装在相机的前端，以捕捉通过镜头进入的光线，一旦光线被传感器捕捉到，它们就会被转换成数字信号，并传送到相机的图像处理器中进行处理和压缩。CCD图像传感器在数码相机中的应用优势包括高分辨率、高灵敏度、低噪声、低成本等。采用CCD数码相机进行摄影测量不仅可以提高影像获取、存储以及处理效率，而且减少了基于软片摄影测量的相片冲洗、压平误差，提高了作业精度，在数码相机领域发挥着重要作用^[2]。

科学级CCD在天文观测领域的应用具有重要意义，其具有的高量子效率使得天文观测能够探测到更暗的星体，而宽光谱响应范围有利于对不同波长的天体进行观测。此外，科学级CCD的低读出噪声和高分辨率提供了优越的图像质量和细节捕捉能力，并且通过拼接技术，还可以扩展成具有极高分辨率的CCD阵列，其实时处理能力也帮助提高了观测效率，为现代天文学的研究和发展带来了革命性的进展^[3]。

CCD图像传感器在工业生产领域的应用很广泛，它具有高分辨率、高灵敏度、较宽的动态范围和可视化检测能力等优势，尤其适用于自动控制、自动检测和图像识别技术，可以实现精准的测量和快速的缺陷检测。通过结合自动化技术和图像处理算法，CCD图像传感器能够提高工业生产的效率和质量水平^[4]。同时，CCD工业内窥镜的电视摄像系统可以在难以直接观察的区域提供清晰、明亮且放大的图像，帮助检查人员进行精确的检查和判断，在工业质量控制、测试及维护中正确地识别裂缝、应力、焊接整体性及腐蚀等缺陷，确保产品的一致性，实现高效的质量控制^[5]。

机器人视觉中广泛采用的非接触的固态阵列探测器是CCD器件，利用CCD器件制成固态摄像机用于工业机器人的视觉系统中^[6]，作为机器人的视觉，可监控机器人的运行^[7]。机器视觉系统中的CCD图像传感器通过光学镜头感应并聚焦反射光线，将信号数字化后传输到计算机，由视觉算法对数据进行处理，并将结果显示在人机界面上，同时传送给机器人控制系统。该系统可以实现自动传送、物体识别、位置确定和取向分析等功能，使机器人能够跟踪和抓取物体，并将其送往指定地点，这种自动化应用可以提高生产效率和质量，减少人力成本^[5]。

CCD是一种由光敏单元、转移结构、输出结构组成的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，MOS）集成电路器件，其基本功能是以电荷作为信号，进行电荷的存储和电荷的转移。其中，光敏单元是CCD中注入信号电荷和存储信号电荷的部分；转移结构的基本单元是MOS结构，它的作用是将存储的信号电荷进行转移；输出结构是将信号电荷以电压或者电流的形式输出的部分^[10]。MOS电容器（光敏元）是构成CCD的最基本单元，CCD即是在半导体硅平面上制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称作一个像素，光敏元在半导体硅平面上按线阵或面阵有规则地排列^[11][12]。

在P型或N型硅基体上生长一层很薄（约1200Å）的二氧化硅作为绝缘层，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。栅极和P型（或N型）硅村底形成了规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管构成了CCD电荷耦合器件芯片，其中每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件^[12]。因为它们靠的很近，所以它们之间可以发生耦合，这样，被注入的电荷就可以有控制地从一个电容移位到另外一个电容，这样的转移过程，实际上是电荷耦合的过程，所以CCD被称作是电荷耦合器件^[10]。

CCD作为一种半导体器件，能够把光学影像信号转化为数字信号。CCD上有许多排列整齐的MOS电容，能感应光线、储存信号并将影像转变成数字信号，经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给相邻的图像处理器来形成图像，其基本工作过程主要是信号电荷的产生（光电转换）、存储、转移和检测（输出）^[8][9]。

在CCD中，电荷注入的方式可分为光注入和电注入两类，应用较广的是光注入^[8][34]。当MOS器件受到入射光的辐照时，会在半导体区域通过光电效应产生大量的光生电子，随后电子会与陆续到来的光子进行能量交换，当自由电子吸收了足够的能量后会向高能级跃迁，进而形成电子-空穴对，外加电场驱使下，电子空穴对将分别向电极两端移动，产生光生电荷，同时根据半导体区域的掺杂分布可知，电子存储于半导体的N型区域，空穴存储于半导体的P型区域^[34][35]。

半导体材料中信号电荷的载流子可以是带正电的空穴，也可以是带负电的导带自由电子。一般来讲，CCD图像传感器利用的信号电荷载流子为带负电的电子具有被正向电压（高电势） 所吸引的性质。因此可以在像素结构内，采用制造出高于周围电势的高电势阱的方法来存储光电转换得到的信号电荷，直到传感器完成电荷的转移动作^[9]。

以表面沟道型MOS电容器为例，由金属材料构成的表面电极被施加了正电压，由硅材料构成的半导体基板的底部接地。受此电势差的影响，半导体基板表面中位于金属电极下部区域的电势将增高。基板表面的该高电势区域被周围的低电势区域包围，从而形成了可以存储带负电电子的电势阱。由于半导体基板与金属表面电极之间存在绝缘层（多为氧化物，又称氧化物层），经过光电转换产生的信号电荷无法流向金属表面电极，从而存储在该电势阱内^[9]。

CCD工作过程的第三步是信号电荷的转移，就是将所收集起来的信号电荷从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷输出完成^[8]，该部分是由一系列紧密排列的MOS电容器构成。加在MOS电容器上的电压越高，产生的电子势阱越深，即MOS电容器能存储的电荷量更大；当一排MOS电容器上加不同大小的脉冲电压时，各MOS电容器形成的电子势阱深度各不相同。MOS电容的间距足够小，相邻MOS电容的势阱会相互耦合，通过控制栅上的信号，电荷将由浅势阱向深势阱转移^[34]。

电荷检测的作用主要是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷转换成电压信号，送给后续电路处理。根据输出方式的不同，可以分为电流与电压两大类，而电压类中又可分为浮置扩散放大器（Floating Diffusion Amplifier，FDA）与浮置栅极放大器（Floating Gate Amplifier，FGA）两种方式，比较常用的是浮置扩散放大器读出^[9][34]。

CCD（Charge-Coupled Device）和CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是两种不同类型的图像传感器，它们在相机和摄像设备中扮演着关键的角色，CMOS和CCD在工作原理、电路结构、数据输出速度、耗电量、噪声特性等方面都有着一定的差异^[36][37]。

光电转移方式不同：CCD需要同步信号控制下逐位地实施转移和读取电荷信号，因此需要时钟控制电路和多组不同电源的配合，整个电路比较复杂。而相对而言，CMOS的每个像素都有一个放大器，能够放大每个像素的信号，因此CMOS比CCD有更快的数据读取速度，并且不需要像CCD那样复杂的时钟控制电路和多组操作电压，可以在芯片上集成更多的外围电路，使得整个相机更轻巧^[36][37]。电路结构不同：CCD只能输出模拟电信号，需经过模数转换器和图像信号处理器处理，同时还需要三组电源和同步控制电路，这使得集成度较低，制作成本较高，而CMOS可以将数码相机的所有部件集成到一块芯片上，因此整体成本较低^[36][37]。图像信号输出速度不同：图像信号输出速度不同也是它们的重要区别之一。CCD需要在同步时钟的控制下以行为单位逐位输出信号，因此速度较慢；而CMOS可以在采集光信号的同时取出电信号，并且可以同时处理各单元的图像信息，因此速度比CCD快得多^[36][37]。耗电量不同：CCD一般需要三组电源供电，耗电量较大；而CMOS只需要使用一个电源，耗电量非常小，且几乎没有静态电量消耗，耗电量仅为普通CCD的1/10^[36]。噪声方面不同：CCD制作起步早，在噪声隔离方面较成熟，成像质量相对比CMOS有一定的优势，而CMOS由于集成度高，在处理快速变化的影像时容易出现杂点，对图像影响较大^[36][37]。

作为图像传感器领域的两大不同阵营，CMOS图像传感器和CCD图像传感器在性能表现上有各自的优缺点，下表给出了其部分性能的比较^[38]。

CCD图像传感器具有多个性能指标，包括像素数、帧率、靶面尺寸、感光度、电子快门和信噪比等，其中像素数和靶面尺寸是最重要的指标之一^[39][40]。

像素数：像素数表示CCD图像传感器上感光元件的数量。可以将摄像机拍摄的画面看作由许多小点组成，每个点即为一个像素，更多的像素数意味着更清晰的画面。因此，理论上CCD图像传感器的像素数越多，画面的清晰度就会越高。然而，增加像素数也会导致制造成本上升和成品率下降^[39][40]。

帧率：帧率代表单位时间内记录或播放的图片数量。当连续播放一系列图片时，会产生动画效果。根据人类的视觉系统，当帧率超过15帧/秒时，人眼基本无法察觉到图片的跳跃；达到24~30帧/秒时，闪烁现象基本不可察觉。每秒的帧率表示图像传感器在处理图像时每秒能够更新的次数，高帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验^[39][40]。

靶面尺寸：靶面尺寸指的是图像传感器感光部分的大小，通常用英寸（in，1in=2.54cm）来表示，类似于电视机，常见的表示方式是对角线长度，如1/3in。靶面尺寸越大，通光量越大，而靶面尺寸越小，则更容易获得更大的景深。例如，1/2in可以有较大的通光量，而1/4in则更容易获得较大的景深^[39][40]。

感光度：感光度反映了CCD和相关电子电路对入射光强弱的感应能力。感光度越高，感光面对光的敏感度就越高，快门速度也越快，这在拍摄运动车辆、夜间监控等场景中尤为重要^[39][40]。

信噪比：信噪比是指信号电压与噪声电压的比值，通常以分贝（dB）为单位表示。摄像机通常在AGC关闭时给出信噪比数值，因为当AGC开启时，会提升小信号，导致噪声电平也相应增加。一般来说，信噪比的典型取值范围在45~55dB之间。如果信噪比为50dB，图像可能有少量噪声，但整体质量良好；若为60dB，则图像质量优秀，几乎没有噪声。信噪比越高，表明对噪声的控制效果越好^[40]。