電荷耦合元件電荷耦合元件 CCDCCD(Charge-coupled Device(Charge-coupled Device ））

主題

報告同學 : 黃俊維

林彥輝

~INDEX~~INDEX~

1.1. 發明者介紹發明者介紹 22. CCD. CCD 簡介簡介 3.3. 工作原理工作原理 4.4.CCDCCD 產品分析產品分析

Willard Sterling BoyleWillard Sterling Boyle

Willard.S BoyleWillard.S Boyle 威拉德．博伊爾威拉德．博伊爾 19241924年年 88 月月 1919日出生日出生

簡介簡介 ::

19241924年出生於加拿大年出生於加拿大 AmherstAmherst 擁有加拿大和美國國籍。擁有加拿大和美國國籍。 19501950年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士學位年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士學位

George Elwood SmithGeorge Elwood Smith

George Elwood SmithGeorge Elwood Smith 喬治 史密斯 喬治 史密斯 19301930 年年 55 月月 1010 日日

簡介簡介 ::

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

。

CCDCCD 簡單介紹簡單介紹

電荷耦合元件電荷耦合元件（（ CCDCCD ，， Charge-coupled DevicCharge-coupled Devicee ）是一種）是一種集成電路集成電路，上有許多排列整齊的電容，能，上有許多排列整齊的電容，能感應光線，並將感應光線，並將影像轉變成數字信號影像轉變成數字信號。經由外部電。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。鄰的電容。 CCDCCD 廣泛應用在數碼攝影、天文學，尤廣泛應用在數碼攝影、天文學，尤其是其是光學遙測技術光學遙測技術、光學與望遠鏡和高速攝影技術、光學與望遠鏡和高速攝影技術

集成電路集成電路 == 積體電路 積體電路 Integrated CircuitIntegrated Circuit <IC><IC>

就是矽晶圓上實現電路這個技術的統稱就是矽晶圓上實現電路這個技術的統稱

CCDCCD 簡介簡介 CCD CCD 供應商供應商

Dalsa e2v technologiese2v technologies Fairchild ImagingFairchild Imaging Hamamatsu Photonics Hamamatsu Photonics

Characteristics and use of Characteristics and use of FFT-CCDFFT-CCD

KodakKodak PanasonicPanasonic SonySony Texas InstrumentsTexas Instruments ToshibaToshiba

紫外線紫外線影像處理用的影像處理用的 CCDCCD

發明過程發明過程 19691969 年，年， Willard S. BoyleWillard S. Boyle 和和 George E. SmithGeorge E. Smith 發明發明

了首個 了首個 成功的成像技術，利用的是數位感測器成功的成像技術，利用的是數位感測器————電荷耦合器電荷耦合器 件（件（ CCDCCD ）。）。

CCDCCD 技術利用了愛因斯坦的光電效應。通過這一技術利用了愛因斯坦的光電效應。通過這一效應效應 光光可被轉變成可被轉變成電信號電信號。設計。設計圖像感測器圖像感測器的挑戰則在 的挑戰則在

於於———— 短時間內在大量圖元中聚集並讀出信號。 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

光電效應示譯圖光電效應示譯圖

光電效應光電效應是指物質吸收光子並激發出是指物質吸收光子並激發出自由電子的行為。自由電子的行為。

當金屬表面在特定的光輻照作用下，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，發射金屬會吸收光子並發射出電子，發射出來的電子就叫做出來的電子就叫做光電子光電子。。

光的波長需光的波長需小於小於某一臨界值（也就是某一臨界值（也就是光的頻率光的頻率 FF 高於某一臨界值）時方能高於某一臨界值）時方能發射電子，其臨界值即發射電子，其臨界值即極限頻率極限頻率和和極極限波長限波長。 。

波速（波速（ CC ）＝頻率（ｆ））＝頻率（ｆ） × × 波（波（ λλ ））

p.sp.s 波長波長與與頻率頻率的關係是的關係是成反比成反比的的

CCDCCD 之工作原理之工作原理 電荷耦合元件的突出特點是以電荷耦合元件的突出特點是以電荷電荷作為信號，而不同於其他作為信號，而不同於其他

大多數元件是以電流或者電壓為信號。大多數元件是以電流或者電壓為信號。

所以所以 CCDCCD 的基本功能是的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移電荷的存儲和電荷的轉移。它存儲由。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，其存儲的信號電荷便能在 CCDCCD 內作定向傳輸。 內作定向傳輸。 CCDCCD 工作工作過程的主要問題是信號電荷的產生，存儲，傳輸，和檢測。過程的主要問題是信號電荷的產生，存儲，傳輸，和檢測。

電荷的注入電荷的注入 在在 CCDCCD 中，電荷注入的方法有很多，歸納起來中，電荷注入的方法有很多，歸納起來 可分為可分為光注入光注入和和電注入電注入兩類。兩類。

CCDCCD 之工作原理之工作原理 光注入型光注入型 :: 當光照射到當光照射到 CCDCCD 矽片上時，，在矽片上時，，在柵極柵極附近的半導體體內產生電子－電洞附近的半導體體內產生電子－電洞

對，其多數載流子被對，其多數載流子被柵極柵極電壓排開，少數載流子則被收集在電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱勢阱中形成信中形成信號電荷。號電荷。

電注入型電注入型 :: 所謂電注入就是所謂電注入就是 CCDCCD 通過輸入結構對信號電壓或電流進行電壓流進行 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， 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一般常用的是電流注入法和電壓注入法

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　柵極　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　柵極 == 閘極閘極 <Gate><Gate>

基本上基本上 CCDCCD 的結構就像三明治一樣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。

CCDCCD 之工作原理之工作原理

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。

CCDCCD 之工作原理之工作原理

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。

CCDCCD 之工作原理之工作原理

感光元件大比較感光元件大比較 CCDCCD V.S CMOSV.S CMOS

CCD==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。

CCDCCD V.S CMOSV.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 。

CCDCCD V.S CMOSV.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 CMOS 設計 單一感光器 感光器連結放大器 靈敏度 同樣面積下較高 感光開口小低 成本 < 高 > 線路品質影響良率 < 低 > 整合製程低 解析度 < 高 > 結構複雜度低 傳統技術較低 ,新技術擺脫面積

限制，可達全片幅 雜訊比 < 低 > 單一放大器主控 < 高 > 多元放大器，誤差大 耗能比 < 高 > 需外加電壓導出電荷

高< 低 > 畫素直接放大

反應速度 慢 快 IPA ( 個別畫素定址）

無 有

製造機具 特殊訂製機台 可以使用記憶體或處理器製造機

CCDCCD 產品分析產品分析 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…

感光元件 CCD CMOS

影像品質 優 尚　可 電源管理 高耗電 低耗電

暗處感光度 優 尚　可

銳　利　度 優 尚　可體　積 大 小

價　格 高 低 靜態拍照 優 尚　可 動態拍照 尚　可 模　糊

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。

CCDCCD 產品分析產品分析

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。