CCD和CMOS：一路聊聊两种相机芯片揭开数字摄影世界的神秘面纱_滤镜_传感器

并非影像君故弄玄虚，而是由于CCD和CMOS分别代表了两种主流的、不同设计、不同事理的影像传感器技能——这便是本文想要磋商的话题。
我们不仅要谈论「是什么」（What），而且还要考试测验谈论「如何」（How）和「为什么」（Why）。

「芯片」的话题很大，我们不妨先从半导体的观点开始提及。

「半导体」是一个相对导体和绝缘体而提出的观点，因此，我们有必要先理解一下作甚导体和绝缘体。

1.1 导体、绝缘体

从「导电性」的角度而言，我们大致可将物体分为「导体」和「绝缘体」：前者导电，后者不导电。

是什么实质缘故原由导致了两者在导电性能上的差异呢？这便不得不提「原子构造」的问题。

1913年，丹麦理论物理学家玻尔（Niels Bohr）在前辈卢瑟福（Ernest Rutherford）的研究根本上提出了「卢瑟福-玻尔原子模型」，如图1-1所示：

图1-1

理论认为，原子由带正电的原子核和带负电的电子组成，原子核又可细分为带正电的质子和不带电的中子，电子则处于原子核外的离散轨道上。
电子距原子核越远（电子轨道越高），其受到的约束力越小。

该模型还从「能级」（energy level）的角度描述了电子的运动特性。
电子所处的轨道越高，其能级也越高，反之亦然。
最外层的轨道能级最高，常日用「价带」（valence band）来描述。
当接管能量时，电子受引发，从低能级（低轨道）向高能级（高轨道）迁跃（如图1-2所示）。

图1-2

若接管的能量足够多，电子便能打破原子核的束缚，从价带跃迁至导电带（conduction band），成为可以自由游动的电子。
自由电子越多，则物体导电性能越强。

1.2 半导体

半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，在自然状态下，其导电性能靠近于绝缘体，但只要有少量电子接管了能量，便能跃迁至导电带，成为导体。

常见的半导体材料是在硅（Si）材料中掺杂其它元素，如磷（P）或硼（B）。
三者在元素周期表中的位置相邻，它们有附近的原子构造——最外层的电子数分别为4、5、3。
因此，当在硅材料中掺杂磷元素时，由于两两共价而达到稳定的电子层构造，每个磷原子会多出一个自由电子，这种供应自由电子（也称为「供体」）的半导体称为「N型半导体」（N为negative的缩写），如图1-3所示[1]：

图1-3

同理，当在硅材料中掺杂硼时，由于共价的关系，每个硼原子会多出一个呈正极的电子空位，称为电子穴（hole），这种有吸引电子（也称为「受体」）能力的材料称为「P型半导体」（P为positive的缩写），如图1-4所示：

图1-4

1.3 PN结

P型半导体和N型半导体整合在一起时，便形成了一个PN结，中间边界附近、束缚较弱的电子会自由移动并添补P型硅的电子穴，逐渐达到一种动态平衡，在中间形成了一个耗尽区（depletion area），如图1-5所示：

图1-5

当给两极施加反向偏压（即P侧加负电压，N侧加正电压）时，耗尽区增加，导电性能低落；当施加正向偏压（即P侧加正电压，N侧加负电压）时，耗尽区减少，导电性能上升。
这种通过掌握偏压达到单引导电的目标的元件，即为二极管。

1969年，美国贝尔实验室的两位科学家 Willard Boyle和George E. Smith发明了数字影像传感芯片——CCD。
CCD的英文全称为Charge-Coupled Device，直译为「电荷耦合设备」。

2.1 CCD构造

根据CCD的构造，我们大致可将其分为高下两大部分：

光学滤镜和集成电路。

CCD芯片的表面是一系列光学滤镜组件，紧张由抗红外线的微型透镜和拜耳彩色滤镜两部分组成，如图2-1所示：

图2-1

拜耳阵列（Bayer array）彩色滤镜是彩色成像的主要组件，它利用了RGB（红绿蓝）色彩模型。
由于人眼对绿色的敏感度是赤色和蓝色的两倍，因此绿色滤镜的数量是赤色和蓝色的两倍。

滤镜下一层便是传感器集成电路。
上面是数以千万计的像素（即感光单元），每一个像素均由4个（2个绿色滤镜、1个赤色滤镜和1个蓝色滤镜）光电二极管构成。
像素呈分层构造，从上至下依次为：多晶硅电极、二氧化硅、N型半导体和P型半导体。
其横截面示意图如图2-2所示：

图2-2，Photo via MicroscopyU

2.2 CCD运行事理

连续看上面的图2-2。
我们可以看到，PN结处有一个耗尽区，当施加反向电压（上为正极，下为负极）时，电子接管了入射光的能量而跃迁成为了自由电子，存储于正电极下方所形成的电势井（potential well）中。
若把电势井类比为杯子，光生电子（光电效应所产生的电子）则类似于杯子里的水。
入射光越强，光生电子也越多，杯里的水便越多。

电压的开启与关闭由一系列的时序门电路掌握，电势井会随着电压的改变而向临近高电压处迁移，从而达到了电荷转移的目的。
其动态示意图如图2-3所示：

图2-3

2.3 CCD的三种架构

CCD设计常日有三种架构：

帧转移（FT）、全帧（FF）和行间转移（IL）。

三种架构代表了三种不同的电荷转移办法，其示意图如图2-4所示（箭头即为电荷转移方向）：

图2-4

下面我们大略来理解一下这3种架构的CCD。

2.3.1 帧转移架构

帧转移架构（frame transfer）的CCD分为两部分：影像区和存储区。
前者由光电二极管组成，卖力将光电旗子暗记转换成仿照电旗子暗记；后者则有遮光涂层，不感光，紧张用于存储并读取电荷数据。
其构造示意图如图2-5所示：

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

平行时钟掌握偏压电路，将电荷从影像区转移至存储区，系列移位寄存器以「行」为单位读取电荷数据后传输至芯片外部的旗子暗记放大器。
末了一行的电荷数据从芯片转移出去之后，开始重复下一行数据的转移[1]。

此类CCD的优点是较高的帧转移效率，无需机器快门。
缺陷是较低的影像解析度（较小的感光区，可容纳的像素较少）和较高的本钱（两倍的硅基面积）。

2.3.2 全帧架构

与帧转移架构最大的不同是，全帧架构（full frame）的全部区域均为感光区，不设独立存储区。
平行移位寄存器位于感光区下一层，也因此行为单位读取电荷，余者与帧转移类似。
如图2-6所示：

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

正如前文所述，为了便于大家理解，可将电势井类比为杯子，电子类比为水，则，其电荷转移事理示意图可用图2-7来表示：

图2-7

此类CCD的优点是：拥有更高的芯片利用率，制作成本相对低廉。
若寄存器在读取光电二极管的数据时，后者仍旧处于曝光状态，则终极的影像将会涌现拖尾效应（如图2-8所示）。
因此，此类CCD需合营机器快门一起利用，后者起到了遮光和掌握曝光的浸染。

图2-8

2.3.3 行间转移架构

行间转移架构（interline transfer）在外不雅观设计上与全帧CCD类似，不同之处在于，每个像素阁下即有一个不感光的寄存器，每两个像素成对耦合在一起，电荷以「每两个像素为单位」转移至寄存器，这便是「电荷耦合」名称的由来。
如图2-9所示：

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

此类型CCD最大的优点是，无需搭配机器快门，较高的帧转移效率，因此，影像拖尾效应也相对减少。
缺陷是，更繁芜的设计架构和更高的制作本钱。

3.1 CMOS构造

1992年，美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室科学家Eric Fossum博士揭橥了长篇论文，谈论了有源像素传感器技能的运用，后来便有了CMOS传感器的涌现。

CMOS，英文全称为Complementary Metal-Oxide Semiconductor，译为「互补金属氧化物半导体」。
CMOS影像传感器紧张由以下四部分构成：

（1）微透镜：位于传感器最顶层，紧张浸染是将入射光芒聚焦于光电二极管，提高光芒的利用率。

（2）彩色滤镜：与CCD类似，也是拜耳滤镜，包含红、绿、蓝三种颜色，用于过滤不同波长的光芒。

（3）金属连接层（电路）：金属（铝或铜）连接线和氧化物保护膜。

（4）硅基：内置紧张元件为光电二极管，将光旗子暗记转换成电旗子暗记。

其横截面示意图如图3-1所示：

图3-1，Photo by IBM。

3.2 CMOS运行事理

与CCD最大的不同是，CMOS的每个像素都内置有一个独立的旗子暗记放大器，因此，CMOS传感器也被称为有源像素传感器（APS，Active Pixel Sensor）。
光芒进入CMOS后与光电二极管发生光电效应，偏压门电路掌握后者的光敏性，从上至下逐行扫描式曝光，每个像素内产生的电旗子暗记均被立即放大（干系知识，可阅读影像派之前的文章《拍照知识科普 | 你最熟习的「快门」，却藏有这些你最陌生的认知》）。
传感器的每一列都有模数转换器（ADC）， 以「列」为单位读取电荷数据并转移至并行处理总线，然后运送至旗子暗记放大器，末了传至图像处理器。

示意图如图3-2所示：

图3-2

3.3 前照式 vs 背照式

根据构造的不同，CMOS影像传感器可分为「前照式」和「背照式」两种。

传统CMOS的光电二极管位于传感器的最底部、金属线下方，入射光从光电二极管的前面（与电路相连的一侧）进入，此类CMOS传感器因此被称为「前照式传感器」（FSI, Front-side Illuminated Sensor）。
如图3-3所示：

图3-3

前照式传感器有一个最大的缺陷：

光芒在照射到光电二极管时要先经由电路，电路中的金属线会反射一部分入射光，这不仅直接降落了光芒的利用率，而且光芒的散射也增加了系统的噪声，降落了传感器的宽容度。

为了提升传感器在弱光环境下的感光表现，减少系统噪声，后来在前照式设计的根本上进行了改进与升级，将光电二级管置于电路上方，入射光经由滤镜后直接从二极管的背面（背对电路的一侧）进入。
因此，此类CMOS被称为「背照式传感器」（BSI, Back-side Illuminated Sensor）。
如图3-4所示：

图3-4

背照式传感器的优点在于：

大大缩短了光芒抵达光电二极管的路径，减少了光芒的散射，使光芒更聚焦，从而提升了在弱光环境中的感光能力，减少了系统噪声和串扰。
背照式设计是CMOS技能的重大改进，对传统CMOS具有更大的竞争上风。

末了，我们来大略比拟一下两类影像传感器的利害。

4.1 CCD的利害

CCD传感器的紧张优点是高画质（噪点较少）和高光敏性（感光区域面积更大），但同时也有高能耗、易发热、制作本钱高和低处理效率等缺陷。
CCD紧张运用于对画质和宽容度哀求较高的领域，如航天、医学等。

4.2 CMOS的利害

由于每像素都有独立放大器，而且每一列都有仿照/数字旗子暗记转换器，CMOS传感器比CCD有更高的数据处理效率高。
由于所需电压比CCD低，能耗也大幅减少，无发热问题。
低廉的生产本钱使得CMOS有技能运用遍及、高度商业化的上风。
CMOS的这些优点，都是CCD所不具有的。

然而，CMOS并非完美。
大量增加了旗子暗记放大器固然提升了数据处理效率，但同时也无可避免地抬高了系统的底噪，使得终极影像的噪点问题更为突出，画质方面的表现不及CCD。
此外，CMOS的像素区域（感光区）尺寸不如全帧架构CCD，导致前者的弱光表现能力亦不及后者。

虽然CMOS凭借其小尺寸、低本钱、低能耗等上风，一贯主宰开花费级数码相机和手机拍照领域，但并不虞味着CCD已被市场淘汰，两者不是谁取代谁的问题，而是两者各有千秋，各有各的江湖。

综不雅观全文，我们从原子构造的角度切入，引出了半导体，继而深入磋商了CCD和CMOS，分别向大家简要先容了各自的物理构造和运行事理。
文章虽长，但依旧难免疏漏，无法做到面面俱到，只因传感器的真实天下远比我们想象中要繁芜和浩瀚。
限于篇幅与个人能力，【影像派】也只能略陈一二，权当抛砖引玉。
不敷之处，还望读者斧正。

[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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