CCD和CMOS,一起聊聊兩種相機晶片,揭開數字攝影世界的神秘面紗

瘋攝     2021年01月27日

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「相機晶片」「影像傳感器」「全畫幅晶片」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,但事實上它們並不等價,不能混為一談。

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

「晶片」的話題很大,我們不妨先從半導體的概念開始說起。

一、半導體

「半導體」是一個相對導體和絕緣體而提出的概念,因此,我們有必要先瞭解一下何為導體和絕緣體。

1.1 導體、絕緣體

從「導電性」的角度而言,我們大致可將物體分為「導體」和「絕緣體」:前者導電,後者不導電。

是什麼本質原因導致了兩者在導電性能上的差異呢?這便不得不提「原子結構」的問題。

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

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圖1-1

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子和不帶電的中子,電子則處於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,從低能級(低軌道)向高能級(高軌道)遷躍(如圖1-2所示)。

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圖1-2

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,則物體導電性能越強。

1.2 半導體

半導體是一種介於導體和絕緣體之間的材料,在自然狀態下,其導電性能接近於絕緣體,但只要有少量電子吸收了能量,便能躍遷至導電帶,成為導體。

常見的半導體材料是在矽(Si)材料中摻雜其它元素,如磷(P)或硼(B)。三者在元素週期表中的位置相鄰,它們有相近的原子結構——最外層的電子數分別為4、5、3。因此,當在矽材料中摻雜磷元素時,由於兩兩共價而達到穩定的電子層結構,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」)的半導體稱為「N型半導體」(N為negative的縮寫),如圖1-3所示[1]:

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圖1-3

同理,當在矽材料中摻雜硼時,由於共價的關係,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型半導體」(P為positive的縮寫),如圖1-4所示:

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圖1-4

1.3 PN結

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

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圖1-5

當給兩極施加反向偏壓(即P側加負電壓,N側加正電壓)時,耗盡區增加,導電性能下降;當施加正向偏壓(即P側加正電壓,N側加負電壓)時,耗盡區減少,導電性能上升。這種通過控制偏壓達到單嚮導電的目標的元件,即為二極體。

二、數字影像之「芯」:CCD

1969年,美國貝爾實驗室的兩位科學家 Willard Boyle和George E. Smith發明了數字影像傳感晶片——CCD。CCD的英文全稱為Charge-Coupled Device,直譯為「電荷耦合設備」。

2.1 CCD結構

根據CCD的結構,我們大致可將其分為上下兩大部分:

光學濾鏡和集成電路。

CCD晶片的表面是一系列光學濾鏡組件,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:

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圖2-1

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。由於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)光電二極體構成。像素呈分層結構,從上至下依次為:多晶矽電極、二氧化矽、N型半導體和P型半導體。其橫截面示意圖如圖2-2所示:

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圖2-2,Photo via MicroscopyU

2.2 CCD運行原理

繼續看上面的圖2-2。我們可以看到,PN結處有一個耗盡區,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,存儲於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(光電效應所產生的電子)則類似於杯子裡的水。入射光越強,光生電子也越多,杯裡的水便越多。

電壓的開啟與關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,從而達到了電荷轉移的目的。其動態示意圖如圖2-3所示:

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圖2-3

2.3 CCD的三種架構

CCD設計通常有三種架構:

幀轉移(FT)、全幀(FF)和行間轉移(IL)。

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

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圖2-4

下面我們簡單來瞭解一下這3種架構的CCD。

2.3.1 幀轉移架構

幀轉移架構(frame transfer)的CCD分為兩部分:影像區和存儲區。前者由光電二極體組成,負責將光電信號轉換成模擬電信號;後者則有遮光塗層,不感光,主要用於存儲並讀取電荷數據。其結構示意圖如圖2-5所示:

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圖2-5,Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu

平行時鐘控制偏壓電路,將電荷從影像區轉移至存儲區,系列移位寄存器以「行」為單位讀取電荷數據後傳輸至晶片外部的信號放大器。最後一行的電荷數據從晶片轉移出去之後,開始重複下一行數據的轉移[1]。

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

2.3.2 全幀架構

與幀轉移架構最大的不同是,全幀架構(full frame)的全部區域均為感光區,不設獨立存儲區。平行移位寄存器位於感光區下一層,也是以行為單位讀取電荷,餘者與幀轉移類似。如圖2-6所示:

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圖2-6,Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu

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

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圖2-7

此類CCD的優點是:擁有更高的晶片使用率,製作成本相對低廉。若寄存器在讀取光電二極體的數據時,後者仍然處於曝光狀態,則最終的影像將會出現拖尾效應(如圖2-8所示)。因此,此類CCD需配合機械快門一起使用,後者起到了遮光和控制曝光的作用。

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圖2-8

2.3.3 行間轉移架構

行間轉移架構(interline transfer)在外觀設計上與全幀CCD類似,不同之處在於,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」轉移至寄存器,這便是「電荷耦合」名稱的由來。如圖2-9所示:

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圖2-9,Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu

此類型CCD最大的優點是,無需搭配機械快門,較高的幀轉移效率,因此,影像拖尾效應也相對減少。缺點是,更複雜的設計架構和更高的製作成本。

三、數字影像之「芯」:CMOS

3.1 CMOS結構

1992年,美國航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室科學家Eric Fossum博士發表了長篇論文,討論了有源像素傳感器技術的應用,後來便有了CMOS傳感器的出現。

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

(1)微透鏡:位於傳感器最頂層,主要作用是將入射光線聚焦於光電二極體,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,用於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)矽基:內置主要元件為光電二極體,將光信號轉換成電信號。

其橫截面示意圖如圖3-1所示:

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圖3-1,Photo by IBM。

3.2 CMOS運行原理

與CCD最大的不同是,CMOS的每個像素都內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後與光電二極體發生光電效應,偏壓門電路控制後者的光敏性,從上至下逐行掃瞄式曝光,每個像素內產生的電信號均被立即放大。傳感器的每一列都有模數轉換器(ADC), 以「列」為單位讀取電荷數據並轉移至並行處理總線,然後輸送至信號放大器,最後傳至圖像處理器。

示意圖如圖3-2所示:

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圖3-2

3.3 前照式 vs 背照式

根據結構的不同,CMOS影像傳感器可分為「前照式」和「背照式」兩種。

傳統CMOS的光電二極體位於傳感器的最底部、金屬線下方,入射光從光電二極體的前面(與電路相連的一側)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:

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圖3-3

前照式傳感器有一個最大的缺點:

光線在照射到光電二極體時要先經過電路,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的噪聲,降低了傳感器的寬容度。

為了提升傳感器在弱光環境下的感光表現,減少系統噪聲,後來在前照式設計的基礎上進行了改進與升級,將光電二級管置於電路上方,入射光經過濾鏡後直接從二極體的背面(背對電路的一側)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:

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圖3-4

背照式傳感器的優點在於:

大大縮短了光線抵達光電二極體的路徑,減少了光線的散射,使光線更聚焦,從而提升了在弱光環境中的感光能力,減少了系統噪聲和串擾。背照式設計是CMOS技術的重大改進,對傳統CMOS具有更大的競爭優勢。

四、CCD vs CMOS

最後,我們來簡單對比一下兩類影像傳感器的優劣。

4.1 CCD的優劣

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CCD傳感器的主要優點是高畫質(噪點較少)和高光敏性(感光區域面積更大),但同時也有高能耗、易發熱、製作成本高和低處理效率等缺點。CCD主要應用於對畫質和寬容度要求較高的領域,如航天、醫學等。

4.2 CMOS的優劣

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由於每像素都有獨立放大器,而且每一列都有模擬/數字信號轉換器,CMOS傳感器比CCD有更高的數據處理效率高。由於所需電壓比CCD低,能耗也大幅減少,無發熱問題。低廉的生產成本使得CMOS有技術應用普及、高度商業化的優勢。CMOS的這些優點,都是CCD所不具有的。

然而,CMOS並非完美。大量增加了信號放大器固然提升了數據處理效率,但同時也無可避免地抬高了系統的底噪,使得最終影像的噪點問題更為突出,畫質方面的表現不及CCD。此外,CMOS的像素區域(感光區)尺寸不如全幀架構CCD,導致前者的弱光表現能力亦不及後者。

雖然CMOS憑藉其小尺寸、低成本、低能耗等優勢,一直主宰著消費級數位相機和手機攝影領域,但並不意味著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。

結語

綜觀全文,我們從原子結構的角度切入,引出了半導體,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構和運行原理。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像中要複雜和浩瀚。限於篇幅與個人能力,【影像派】也只能略陳一二,權當拋磚引玉。不足之處,還望讀者斧正。

參考文獻

[1]Mortimer Abramowitz,Michael W. Davidson,

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

[2]Elizabeth Allen,Sophie Triantaphillidou,The Manual_of_Photography (10th ed.) Oxford Focal Press;

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