電荷耦合元件 CCD (Charge-coupled Device ）

電荷耦合元件CCD(Charge-coupled Device） 主題報告同學:黃俊維林彥輝

~INDEX~ • 1.發明者介紹 • 2. CCD簡介 • 3.工作原理 • 4.CCD產品分析

Willard Sterling Boyle • Willard.S Boyle • 威拉德．博伊爾 • 1924年8月19日出生 • 簡介: • 1924年出生於加拿大Amherst • 擁有加拿大和美國國籍。 • 1950年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士學位

George Elwood Smith • George Elwood Smith • 喬治史密斯 • 1930年5月10日 • 簡介: • 1930年出生于美國白原市（White Plains） • 美國國籍。 • 1959年從芝加哥大學獲得物理學博士學位。

CCD簡單介紹 • 電荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）是一種集成電路，上有許多排列整齊的電容，能感應光線，並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它相鄰的電容。CCD廣泛應用在數碼攝影、天文學，尤其是光學遙測技術、光學與望遠鏡和高速攝影技術 • 集成電路=積體電路 Integrated Circuit<IC> 就是矽晶圓上實現電路這個技術的統稱

CCD簡介 CCD 供應商紫外線影像處理用的CCD • Dalsa • e2v technologies • Fairchild Imaging • Hamamatsu Photonics Characteristics and use of FFT-CCD • Kodak • Panasonic • Sony • Texas Instruments • Toshiba

發明過程 • 1969年，Willard S. Boyle和George E. Smith發明了首個成功的成像技術，利用的是數位感測器——電荷耦合器件（CCD）。 • CCD技術利用了愛因斯坦的光電效應。通過這一效應光可被轉變成電信號。設計圖像感測器的挑戰則在於—— 短時間內在大量圖元中聚集並讀出信號。

光電效應 光電效應示譯圖光電效應是指物質吸收光子並激發出自由電子的行為。當金屬表面在特定的光輻照作用下，金屬會吸收光子並發射出電子，發射出來的電子就叫做光電子。光的波長需小於某一臨界值（也就是光的頻率F高於某一臨界值）時方能發射電子，其臨界值即極限頻率和極限波長。波速（C）＝頻率（ｆ）× 波（λ） p.s波長與頻率的關係是成反比的

CCD之工作原理 • 電荷耦合元件的突出特點是以電荷作為信號，而不同於其他大多數元件是以電流或者電壓為信號。 • 所以CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。它存儲由光或電激勵產生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈衝時，其存儲的信號電荷便能在CCD內作定向傳輸。 CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產生，存儲，傳輸，和檢測。 • 電荷的注入 • 在CCD中，電荷注入的方法有很多，歸納起來 • 可分為光注入和電注入兩類。

CCD之工作原理 • 光注入型: • 當光照射到CCD矽片上時，，在柵極附近的半導體體內產生電子－電洞對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。 • 電注入型: 所謂電注入就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行電壓流進行采樣，然後將信號電壓或電流轉換為信號電荷。電注入的方法很多，一般常用的是電流注入法和電壓注入法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　柵極=閘極<Gate>

CCD之工作原理 • 基本上CCD的結構就像三明治一樣，第一層是『微型鏡頭』，第二層是『分色濾色片』以及第三層『感光匯流層』。 • 第一層：是由SONY領先發展出來的技術。為了有效提升CCD 的總畫素，又要確保單一畫素持續縮小以維持CCD的標準體積。因此，必須擴展單一畫素的受光面積。但利用提高開口率來增加受光面積，反而使畫質變差。所以，開口率只能提升到一定的極限，否則CCD將成為劣品。為改善這個問題， SONY 率先在每一感光二極體上（單一畫素）裝置微小鏡片。這個設計就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，感光面積不再因為感測器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。如此一來，可以同時兼顧單一畫素的大小，又可在規格上提高了開口率，使感光度大幅提升。

CCD之工作原理 • 第二層：『分色濾色片』，這個部份的作用主要是幫助 CCD 具備色彩辨識的能力。回到源頭，CCD 本身僅是光與電感應器，透過分色濾片，CCD 可以分開感應不同光線的『成分』，從而在最後影響處理器還原回原始色彩。目前CCD有兩種分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一個則是 CMYG補色分色法，這兩種方法各有利弊，過去原色和補色CCD的產量比例約在 2：1左右，2003年後由於影像處理引擎的技術和效率進步，目前超過 80％都是原色 CCD 的天下。

CCD之工作原理 • 第三層：『感光匯流片』，這層主要是負責將穿透濾色層的光源轉換成電子訊號，並將訊號傳送到影像處理晶片，將影像還原。這個部份可以說是 CCD 真正核心的部份，主要的 CCD 設計大致上分成幾個區塊。被稱為畫素 Pixel （Photodiodes）感光二極體，主要是應用於光線感應部份，Gate 區有一部份被用作電子快門，藍色區塊則是佈局為電荷通路，用來傳導電荷之用。白色區塊就是電荷儲存區，主要功用為收集經二極體照射光線後所產生之電荷。

感光元件大比較CCDV.S CMOS • CCD== Charge Coupled Device • CMOS== Complementary Metal Oxide semi conductor • 互補式金屬-氧化層-半導體 • 比較 CCD 和 CMOS 的結構，放大器的位置和數量是最大的不同之處 CCD 每曝光一次，自快門關閉或是內部時脈自動斷線後，即進行畫素轉移處理，將每一行中每一個畫素（pixel）的電荷信號依序傳入『緩衝器（電荷儲存器）』中，由底端的線路導引輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯 ADC（類比數位資料轉換器）輸出；相對地，CMOS 的設計中每個畫素旁就直接連著『放大器』，光電訊號可直接放大再經由 BUS 通路移動至 ADC 中轉換成數位資料。CCD的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個畫素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個畫素的資料。

CCDV.S CMOS • 差異分析整體來說，CCD 與 CMOS 兩種設計的應用，反應在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、製造成本、解析度、雜訊與耗電量等不同類型的差異。 • ISO 感光度差異：由於 CMOS 每個畫素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一畫素的感光區域的表面積，因此在相同畫素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低於CCD。 • 成本差異： CMOS 應用半導體工業常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設施於單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失；相對地 CCD 採用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另闢傳輸通道，如果通道中有一個畫素故障，就會導致一整排的訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另闢傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的製造成本相對高於CMOS。

CCDV.S CMOS • 解析度差異：在第一點『感光度差異』中，由於 CMOS 每個畫素的結構比 CCD 複雜，其感光開口不及CCD大，相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優於CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業界的CMOS 感光原件已經可達到1400萬畫素 / 全片幅的設計，CMOS 技術在量率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難。 • 雜訊差異：由於CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬畫素計，那麼就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統一製造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的雜訊就比較多。 • 耗電量差異：CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式，必須外加電壓讓每個畫素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使 CCD 的電量遠高於CMOS。

CCD 與 CMOS 感光元件之優缺點比較

CCD產品分析 • CCD發展至今超過20年，在目前技術發展上以經相當純熟，具有高感光度，縱使光線不足拍出來也不至於太暗… • 另外高銳利度，顯色與色澤飽滿，也是CCD的優點，但是CCD的耗電量相對比較高，加上手機輕巧為訴求，CCD的模組產品體積無法有效的縮小，所以價格相對較貴… • 在數位相機市場中，由於CMOS能與產品高整合性，所以運用層面直逼CCD，CMOS最大的優點在於能微小化製造並縮小體積，加上價格比CCD便宜、耗電量低，於是大受手機廠商歡迎，但是CMOS的感光度與銳利度較差…

CCD產品分析 • 而目前在市面上的CCD手機其實也有很多，像是知名品牌的Benq U700 或是韓國手機LG KG920等等..。 • 而這些手機多採用CMOS的原因並非為了降低成本，主要是因為CMOS比CCD還省電，這個優點在手機而言相當重要，除此之外高階的CMOS效能並不比CCD還差，現在數位單眼相機都是使用CMOS.照相效果差的手機，並不是因為使用CMOS，而是用了廉價CMOS.所以現在的照相手機，才會多使用CMOS為主。

為什麼好的單眼相機還是CMOS的感光元件? • CMOS在實際動作時的確雜訊比較多，但是使用在照相機時這點是可以克服的，因為不是像攝影機那樣連續的畫面，所以照相機本身會稍加修正。 • 而在攝影機的表現目前CMOS仍然遜色於CCD (因為每張畫面最多只能曝光1/30秒沒有修飾的空間和時間了)，另外CMOS的讀取不需要像CCD一樣依序讀出，所以速度會快很多，如果將來2千萬3千萬畫素還要向CCD那樣循序讀取會影響連拍的速度。 • CMOS的雜訊在高感光度<ISO>與使用在單眼相機的時候，是可以兼顧到雜訊穩定、省電、與電路媒合的特性比較高，因此部分廠商紛紛在數位單眼機上面使用CMOS的感光元件。

電荷耦合元件 CCD (Charge-coupled Device ）