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[摘要]电荷耦合器件（CCD）的应用前景广阔，其新技术的发展与研究也非常迅速。介绍几种特殊结构的CCD，分析它们的创新之处以及对CCD性能的改善，并分别对超级CCD(SuperCCD)的八角型二极管阵列与传统的CCD感光单元结构，FOVEON X3全色彩影像感测芯片与传统的RGB三原色CCD作了比较分析。
[关键词]特殊结构CCD 电子倍增CCD 超级CCD FOVEON X3多层感光CCD
中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1120012－02
一、引言
电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)自1970年由贝尔实验室的Willard.S.Boyle和George.E.Smith发明以来，经过三十多年的发展，已取得了举世瞩目的成就。和传统的电子像管成像器件相比，CCD具有重量轻、功耗低、超低噪声、响应线性度好、动态范围大等特点，并具有图像获取、信号处理和数据存储等功能。由它取代传统的电子像管成像器件，除了在少数特殊的应用场合外，已是一种必然的趋势[1]。
早期的CCD主要应用于存贮器，但随着MOS型RAM(动态随机存取存贮器)的发展，其数字存贮功能就显得过时了。目前的CCD主要应用于成像传感和模拟信号的存贮及处理方面。随着新型半导体材料的出现及微细加工技术的发展，现已研制开发出了多种多样的CCD[2]，如线阵CCD(Linear)、面阵CCD(Area)、背照减薄式CCD(Back-illuminated Thinned)、增强型CCD(Intensified)以及电子轰击式CCD(Electron Bombarded)等，虽然发展较快，但其它几种特殊结构类型的CCD，如超高感度CCD，电子倍增CCD(Electron Multiplying)，日本富士公司生产的超级CCD(Super)，美国福尔文(Foveon)公司生产的FOVEON X3多层感光CCD，虚相CCD(Virtual Phase)等正以其优势引领该技术飞速发展。尤其在航空探测和军事领域，常规的CCD没法满足要求[2，3]，几种特殊结构的CCD应运而生。
二、几种特殊结构的CCD
（一）超高感度CCD
超高感度CCD是在常规N型衬底CCD的基底下外加一层很厚的高掺杂的N+型载子层，如图1所示，它使电子不易逃逸，提高了量子效率和光谱响应宽度，并且载子层能吸收光能并将光能转换成电能以减小拖尾现象。
超高感度CCD的另一个改进是在入射光口处加上双微凸透镜，这一措施增大了入射孔径，使CCD能获得更强的光照度，提高了CCD的感光灵敏度和低照度下的探测能力。
（二）电子倍增CCD（EMCCD）
在传统CCD的结构基础上，在移位寄存器的末端和输出放大器之间插入一个电子倍增器，即可获得电子倍增CCD(EMCCD)。
除了在图3所示的R2相有所不同之外，增益寄存器和移位寄存器之间非常相似。增益寄存器的R2相由双电极构成：一个安装在固定势井上称之为固定电压电极；另一个加有高压时钟脉冲称之为时钟脉冲电极，其幅值比单独用于转移电荷的时钟脉冲要大许多。如此设计就保证了一个强导电区，使转移的电子在该区域充分发生碰撞电离以产生新的电子，即电子倍增或电子增益。这种方法能有效的减小在微光探测和快速读取方面的读出噪声。
（三）超级CCD（SuperCCD）
SuperCCD是Fuji(富士)开发的独有专利技术，它可以说是对传统CCD的改进，主要的改进是感光二极管的形状、排列方式和CCD内部的走线，如图4所示。图左边的是传统CCD的感光二极管排列方式，感光二极管呈正方形或者矩形，而且需要走两条线(控制信号线和充电/传输线)，像素之间的距离较宽。图右边的是SuperCCD的感光二极管排列方式，感光二极管呈八角型，而且只需要一条充电/传输线就可以了，控制信号线可以对角的方式在感光二极管之间传输，这样就节省下了控制信号线在CCD上所占用的空间，像素之间排列更加紧密。
SuperCCD的优点是单个CCD感光二极管的面积比普通的CCD感光二极管的大，这样SuperCCD的灵敏度、信噪比和动态范围就比较好。SuperCCD的像素排列比普通CCD的像素排列更加紧密和合理，这也是SuperCCD成像比普通CCD色彩较艳丽的原因之一。由于在单个感光二极管上有面积的优势，加上Super CCD电路中往往内置硬件插值放大电路，因此采用SuperCCD的数码相机往往可以输出比自身实际分辨率更高的插值分辨率，而且最终图像损失比一般数码相机所采用的软件插值方法要小。
1999年富士开发出第一代Super CCD，应用在FinePix4700上，由于提高了像素和分辨率，因此深受消费者的欢迎。2001年，富士修正了第一代Super CCD 的噪声缺点，并将有效像素提升到310万，最大像素为602万，使得FinePix6800/6900成为该年度富士最畅销的数码相机。新一代的Super CCDⅢ结合了前两代的优势，又新增加了以下功能[4，5]：
1．信号处理能力。这项技术在相机内设置信号处理器，整合第一次拍照所得的照片，即按每4个像素(2绿，1红，1蓝)为一个计算单元进行整合，整合后的照片在ISO1600高感度时具有不错的表现。同时，运用计算原理提高并修正相片在低光照度下的色彩，避免了电子干扰，提高了信噪比。
2．水平/垂直像素混合运算。这是Super CCD Ⅲ又一项特殊功能，它让有效像素为300万的CCD跨过一般快速VGA动画录制(分辨率320 ×240)速度被限制在15fps的门槛(因为速度过快，如果数码相机的处理速度跟不上，则容易造成画面偏暗)，在640 ×480的分辨率下，帧频达到了30fps，并能有效的把感光度提高到4倍以上。
（四）FOVEON X3多层感光CCD
有别于传统CCD的RGB三原色感测方式(即每一像素只能记录一种原色光，后期制作需作仿真插值，令影像欠缺正确的原色以及产生噪声现象)，FOVEON X3全色彩影像感测芯片是目前世界上唯一能使每一像素同时感应三种RGB三原色光的CCD(如图5所示)，以确保RGB全色光百分之百的被提取，有效地抑制了噪声并能避免仿真插值所带来的损耗。传统的的RGB三原色CCD(如图6所示)不管拥有多少像素，都有着先天的不足，即仅能获得RGB三原色色彩的1/3，因此必须依赖复杂的插值过程来插补所缺乏的2/3色彩，而插值会带来人工制成的色彩，并不能完全反映影像物体的原始色彩，同时会造成图像细节的丢失[5-8]。
如图6所示：在传统的RGB三原色CCD中，分色滤色镜被置入单层的光电探测器里使CCD成为一种拼砖模式的嵌镶光电阴极；这种分色滤色镜仅让一种波长的光(红，绿，蓝)通过，即只允许单一像素记录一种色彩；因此，传统的三原色CCD只能捕获25%的红光，25%的蓝光，50%的绿光[8，9]。
FOVEON X3技术的独特之处在于，采用硅色彩分离技术通过分层结构捕获图像(如图7所示)，每个像素可同时捕获光线中的红、绿、蓝三种色彩信息，确保景物的RGB三原色被百分之百的提取，有效地抑制了噪声，同时也避免了仿真插值所带来的损耗，令影像更锐利、颜色更丰富。因此，FOVEON X3技术可和传统的胶片相媲美。
此外，多层感色CCD技术还支持CCD运算技术VPS，类似富士的Super CCDⅢ的水平垂直运算整合方式，同样也可以达到高ISO值(但必须降低分辨率)、高速VGA动画拍摄速度。与SuperCCD Ⅲ不同的是，多层感色CCD的每一个像素都可以感应三个色彩值，从理论上来说，多层感色CCD在相同的速度条件下，动画拍摄比富士的Super CCD Ⅲ更精致。
图8是传统的RGB三原色CCD和FOVEON X3全色彩影像感测芯片在成像质量(诸如纹状噪声、色彩明细度、锐利度、人工色彩插值)方面的实际效果对比图。
（五）虚相CCD（Virtual Phase）
成品率低、蓝光响应差、光晕等几个问题长期以来一直困扰着CCD的开发与应用，为此美国的一家公司开发出一种采用虚相技术的CCD，以解决许多CCD制造工艺上的困难[9]。
VPCCD的结构和普通CCD的结构基本相同，其在传统的CCD结构基础上，用所谓的虚相电极代替一组栅极，即采用单栅技术，为此解决了栅极与栅极之间短路的问题，故大大的提高了成品率。同时，由于减少了栅极对光的吸收(主要是蓝光)，VPCCD的蓝光响应有明显的改善。
该公司研制的490×328像素的VPCCD，转移效率达到99.997%，电荷存储容量约4×1O5个电子，室温下的暗电流仅0.4nA，比传统的CCD低一个数量级。其用490×328像素的VPCCD组装的TIC一9型电视摄像机，在接近全月光的景物照度下也能获得理想的图像。
四、结束语
CCD器件经过几十年的发展，其性能进行了不断的改进，比如:可以提高电荷转移效率的埋沟器件、抗晕器件、用于降低暗电流的反相模式、用于提高量子效率的背射减薄加抗反射膜处理、加紫外转换层以扩展器件对紫外区的响应以及用于X射线探测的深耗尽器件；在由更高时钟脉冲驱动的输出寄存器中利用碰撞电离实现电荷倍增，可以确保EBCCD在非常低的光照条件下无需增强器采集信号，更多的技术提高产品的性能和制作工艺。随着人们对CCD认识的不断深入，其性能将会得到不断的完善。
参考文献：
[1]王庆有、孙学珠，CCD应用技术. 天津大学出版社，1993.3.
[2]王开富，军用CCD传感器的最新进展.2002.
[3]Dalinenko IN，Kossov V G，Lazovsky L Y，et al Design and fabrication technology of thinned backside excited CCD imagers and the family of the intensified electron-bombarded CCD imagetubes[J].SPIE 1995，2551:197-205.
[4]Lemonier M.Thinned backside -bombarded RGS-CCD for electron imaging [J].Advances in Electronics and Electron Physics，1985，64A:257-265.
[5]左舫，刘广荣，高稚允等.用于微光成像的BCCD，ICCD，EBCCD性能分析 [J].北京理工大学学报，2002，22（1）：109-112.
[6]刘广荣、左舫，周立伟等.EBCCD的增益及信噪比研究[J].光学技术，2002，28（2）：120-122.
[7]李津、冀国华，关于数码相机的技术和市场.天津远大感光材料公司，2002.1.
[8]郑鹤松，数码相机引入科技照相实验.物理与工程，2002，12: (4) ：21~22.
[9]岳云，数码相机用CCD摄像元件的发展现状及动向.视听世界，2002，8：14~15.
作者简介：
张宣妮，女，汉族，陕西乾县人，讲师，硕士，从事传感器及光电检测方面研究。
[关键词]特殊结构CCD 电子倍增CCD 超级CCD FOVEON X3多层感光CCD
中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1120012－02
一、引言
电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)自1970年由贝尔实验室的Willard.S.Boyle和George.E.Smith发明以来，经过三十多年的发展，已取得了举世瞩目的成就。和传统的电子像管成像器件相比，CCD具有重量轻、功耗低、超低噪声、响应线性度好、动态范围大等特点，并具有图像获取、信号处理和数据存储等功能。由它取代传统的电子像管成像器件，除了在少数特殊的应用场合外，已是一种必然的趋势[1]。
早期的CCD主要应用于存贮器，但随着MOS型RAM(动态随机存取存贮器)的发展，其数字存贮功能就显得过时了。目前的CCD主要应用于成像传感和模拟信号的存贮及处理方面。随着新型半导体材料的出现及微细加工技术的发展，现已研制开发出了多种多样的CCD[2]，如线阵CCD(Linear)、面阵CCD(Area)、背照减薄式CCD(Back-illuminated Thinned)、增强型CCD(Intensified)以及电子轰击式CCD(Electron Bombarded)等，虽然发展较快，但其它几种特殊结构类型的CCD，如超高感度CCD，电子倍增CCD(Electron Multiplying)，日本富士公司生产的超级CCD(Super)，美国福尔文(Foveon)公司生产的FOVEON X3多层感光CCD，虚相CCD(Virtual Phase)等正以其优势引领该技术飞速发展。尤其在航空探测和军事领域，常规的CCD没法满足要求[2，3]，几种特殊结构的CCD应运而生。
二、几种特殊结构的CCD
（一）超高感度CCD
超高感度CCD是在常规N型衬底CCD的基底下外加一层很厚的高掺杂的N+型载子层，如图1所示，它使电子不易逃逸，提高了量子效率和光谱响应宽度，并且载子层能吸收光能并将光能转换成电能以减小拖尾现象。
超高感度CCD的另一个改进是在入射光口处加上双微凸透镜，这一措施增大了入射孔径，使CCD能获得更强的光照度，提高了CCD的感光灵敏度和低照度下的探测能力。
（二）电子倍增CCD（EMCCD）
在传统CCD的结构基础上，在移位寄存器的末端和输出放大器之间插入一个电子倍增器，即可获得电子倍增CCD(EMCCD)。
除了在图3所示的R2相有所不同之外，增益寄存器和移位寄存器之间非常相似。增益寄存器的R2相由双电极构成：一个安装在固定势井上称之为固定电压电极；另一个加有高压时钟脉冲称之为时钟脉冲电极，其幅值比单独用于转移电荷的时钟脉冲要大许多。如此设计就保证了一个强导电区，使转移的电子在该区域充分发生碰撞电离以产生新的电子，即电子倍增或电子增益。这种方法能有效的减小在微光探测和快速读取方面的读出噪声。
（三）超级CCD（SuperCCD）
SuperCCD是Fuji(富士)开发的独有专利技术，它可以说是对传统CCD的改进，主要的改进是感光二极管的形状、排列方式和CCD内部的走线，如图4所示。图左边的是传统CCD的感光二极管排列方式，感光二极管呈正方形或者矩形，而且需要走两条线(控制信号线和充电/传输线)，像素之间的距离较宽。图右边的是SuperCCD的感光二极管排列方式，感光二极管呈八角型，而且只需要一条充电/传输线就可以了，控制信号线可以对角的方式在感光二极管之间传输，这样就节省下了控制信号线在CCD上所占用的空间，像素之间排列更加紧密。
SuperCCD的优点是单个CCD感光二极管的面积比普通的CCD感光二极管的大，这样SuperCCD的灵敏度、信噪比和动态范围就比较好。SuperCCD的像素排列比普通CCD的像素排列更加紧密和合理，这也是SuperCCD成像比普通CCD色彩较艳丽的原因之一。由于在单个感光二极管上有面积的优势，加上Super CCD电路中往往内置硬件插值放大电路，因此采用SuperCCD的数码相机往往可以输出比自身实际分辨率更高的插值分辨率，而且最终图像损失比一般数码相机所采用的软件插值方法要小。
1999年富士开发出第一代Super CCD，应用在FinePix4700上，由于提高了像素和分辨率，因此深受消费者的欢迎。2001年，富士修正了第一代Super CCD 的噪声缺点，并将有效像素提升到310万，最大像素为602万，使得FinePix6800/6900成为该年度富士最畅销的数码相机。新一代的Super CCDⅢ结合了前两代的优势，又新增加了以下功能[4，5]：
1．信号处理能力。这项技术在相机内设置信号处理器，整合第一次拍照所得的照片，即按每4个像素(2绿，1红，1蓝)为一个计算单元进行整合，整合后的照片在ISO1600高感度时具有不错的表现。同时，运用计算原理提高并修正相片在低光照度下的色彩，避免了电子干扰，提高了信噪比。
2．水平/垂直像素混合运算。这是Super CCD Ⅲ又一项特殊功能，它让有效像素为300万的CCD跨过一般快速VGA动画录制(分辨率320 ×240)速度被限制在15fps的门槛(因为速度过快，如果数码相机的处理速度跟不上，则容易造成画面偏暗)，在640 ×480的分辨率下，帧频达到了30fps，并能有效的把感光度提高到4倍以上。
（四）FOVEON X3多层感光CCD
有别于传统CCD的RGB三原色感测方式(即每一像素只能记录一种原色光，后期制作需作仿真插值，令影像欠缺正确的原色以及产生噪声现象)，FOVEON X3全色彩影像感测芯片是目前世界上唯一能使每一像素同时感应三种RGB三原色光的CCD(如图5所示)，以确保RGB全色光百分之百的被提取，有效地抑制了噪声并能避免仿真插值所带来的损耗。传统的的RGB三原色CCD(如图6所示)不管拥有多少像素，都有着先天的不足，即仅能获得RGB三原色色彩的1/3，因此必须依赖复杂的插值过程来插补所缺乏的2/3色彩，而插值会带来人工制成的色彩，并不能完全反映影像物体的原始色彩，同时会造成图像细节的丢失[5-8]。
如图6所示：在传统的RGB三原色CCD中，分色滤色镜被置入单层的光电探测器里使CCD成为一种拼砖模式的嵌镶光电阴极；这种分色滤色镜仅让一种波长的光(红，绿，蓝)通过，即只允许单一像素记录一种色彩；因此，传统的三原色CCD只能捕获25%的红光，25%的蓝光，50%的绿光[8，9]。
FOVEON X3技术的独特之处在于，采用硅色彩分离技术通过分层结构捕获图像(如图7所示)，每个像素可同时捕获光线中的红、绿、蓝三种色彩信息，确保景物的RGB三原色被百分之百的提取，有效地抑制了噪声，同时也避免了仿真插值所带来的损耗，令影像更锐利、颜色更丰富。因此，FOVEON X3技术可和传统的胶片相媲美。
此外，多层感色CCD技术还支持CCD运算技术VPS，类似富士的Super CCDⅢ的水平垂直运算整合方式，同样也可以达到高ISO值(但必须降低分辨率)、高速VGA动画拍摄速度。与SuperCCD Ⅲ不同的是，多层感色CCD的每一个像素都可以感应三个色彩值，从理论上来说，多层感色CCD在相同的速度条件下，动画拍摄比富士的Super CCD Ⅲ更精致。
图8是传统的RGB三原色CCD和FOVEON X3全色彩影像感测芯片在成像质量(诸如纹状噪声、色彩明细度、锐利度、人工色彩插值)方面的实际效果对比图。
（五）虚相CCD（Virtual Phase）
成品率低、蓝光响应差、光晕等几个问题长期以来一直困扰着CCD的开发与应用，为此美国的一家公司开发出一种采用虚相技术的CCD，以解决许多CCD制造工艺上的困难[9]。
VPCCD的结构和普通CCD的结构基本相同，其在传统的CCD结构基础上，用所谓的虚相电极代替一组栅极，即采用单栅技术，为此解决了栅极与栅极之间短路的问题，故大大的提高了成品率。同时，由于减少了栅极对光的吸收(主要是蓝光)，VPCCD的蓝光响应有明显的改善。
该公司研制的490×328像素的VPCCD，转移效率达到99.997%，电荷存储容量约4×1O5个电子，室温下的暗电流仅0.4nA，比传统的CCD低一个数量级。其用490×328像素的VPCCD组装的TIC一9型电视摄像机，在接近全月光的景物照度下也能获得理想的图像。
四、结束语
CCD器件经过几十年的发展，其性能进行了不断的改进，比如:可以提高电荷转移效率的埋沟器件、抗晕器件、用于降低暗电流的反相模式、用于提高量子效率的背射减薄加抗反射膜处理、加紫外转换层以扩展器件对紫外区的响应以及用于X射线探测的深耗尽器件；在由更高时钟脉冲驱动的输出寄存器中利用碰撞电离实现电荷倍增，可以确保EBCCD在非常低的光照条件下无需增强器采集信号，更多的技术提高产品的性能和制作工艺。随着人们对CCD认识的不断深入，其性能将会得到不断的完善。
参考文献：
[1]王庆有、孙学珠，CCD应用技术. 天津大学出版社，1993.3.
[2]王开富，军用CCD传感器的最新进展.2002.
[3]Dalinenko IN，Kossov V G，Lazovsky L Y，et al Design and fabrication technology of thinned backside excited CCD imagers and the family of the intensified electron-bombarded CCD imagetubes[J].SPIE 1995，2551:197-205.
[4]Lemonier M.Thinned backside -bombarded RGS-CCD for electron imaging [J].Advances in Electronics and Electron Physics，1985，64A:257-265.
[5]左舫，刘广荣，高稚允等.用于微光成像的BCCD，ICCD，EBCCD性能分析 [J].北京理工大学学报，2002，22（1）：109-112.
[6]刘广荣、左舫，周立伟等.EBCCD的增益及信噪比研究[J].光学技术，2002，28（2）：120-122.
[7]李津、冀国华，关于数码相机的技术和市场.天津远大感光材料公司，2002.1.
[8]郑鹤松，数码相机引入科技照相实验.物理与工程，2002，12: (4) ：21~22.
[9]岳云，数码相机用CCD摄像元件的发展现状及动向.视听世界，2002，8：14~15.
作者简介：
张宣妮，女，汉族，陕西乾县人，讲师，硕士，从事传感器及光电检测方面研究。