電荷耦合元件CCD (Charge-coupled Device）

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

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

3 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

4 George Elwood Smith George Elwood Smith 喬治 史密斯 1930年5月10日 簡介:
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。

5 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

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

7 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。

8 光電效應 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 光電效應示譯圖

9 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。

10 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>

11 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。

12 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。

13 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。

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15 感光元件大比較CCD V.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。

16 CCD V.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， 成本差異：
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。

17 CCD V.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。

18 CCD 與 CMOS 感光元件之優缺點比較 CMOS CCD 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

19 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…

20 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。 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 銳　利　度 體　積 大 小 價　格 高 低 靜態拍照 動態拍照 模　糊

21 為什麼好的單眼相機還是CMOS的感光元件?
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。