CCD和CMOS：一起聊聊两种相机芯片，揭开数字摄影世界的神秘面纱
文章原创首发于头条号【影像派】。
前言
提到CCD或CMOS，即使是摄影爱好者（进阶者除外）也可能会不知所云。但如果说「相机芯片」「影像传感器」「全画幅芯片」之类的，大家便会瞬间觉得熟悉很多。在不严谨讨论的情况下，我们大概可以认为CCD、CMOS和影像传感器就是一回事，但事实上它们并不等价，不能混为一谈。
并非影像君故弄玄虚，而是因为CCD和CMOS分别代表了两种主流的、不同设计、不同原理的影像传感器技术——这便是本文想要探讨的话题。我们不仅要讨论「是什么」（What），而且还要尝试讨论「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概念开始说起。
一、半导体
「半导体」是一个相对导体和绝缘体而提出的概念，因此，我们有必要先了解一下何为导体和绝缘体。
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。
是什么本质原因导致了两者在导电性能上的差异呢？这便不得不提「原子结构」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）的研究基础上提出了「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，通常用「价带」（valence band）来描述。当吸收能量时，电子受激发，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
若吸收的能量足够多，电子便能突破原子核的束缚，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，其导电性能接近于绝缘体，但只要有少量电子吸收了能量，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，它们有相近的原子结构——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结构，每个磷原子会多出一个自由电子，这种提供自由电子（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填充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，导电性能下降；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。这种通过控制偏压达到单向导电的目标的元件，即为二极管。
二、数字影像之「芯」：CCD
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结构
根据CCD的结构，我们大致可将其分为上下两大部分：
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，主要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重要组件，它使用了RGB（红绿蓝）色彩模型。由于人眼对绿色的敏感度是红色和蓝色的两倍，因此绿色滤镜的数量是红色和蓝色的两倍。
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个红色滤镜和1个蓝色滤镜）光电二极管构成。像素呈分层结构，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运行原理
继续看上面的图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，电子吸收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控制，电势井会随着电压的改变而向邻近高电压处迁移，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设计通常有三种架构：
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方式，其示意图如图2-4所示（箭头即为电荷转移方向）：
图2-4
下面我们简单来了解一下这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，负责将光电信号转换成模拟电信号；后者则有遮光涂层，不感光，主要用于存储并读取电荷数据。其结构示意图如图2-5所示：
图2-5，Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu
平行时钟控制偏压电路，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信号放大器。最后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，无需机械快门。缺点是较低的影像解析度（较小的感光区，可容纳的像素较少）和较高的成本（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，也是以行为单位读取电荷，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，其电荷转移原理示意图可用图2-7来表示：
图2-7
此类CCD的优点是：拥有更高的芯片使用率，制作成本相对低廉。若寄存器在读取光电二极管的数据时，后者仍然处于曝光状态，则最终的影像将会出现拖尾效应（如图2-8所示）。因此，此类CCD需配合机械快门一起使用，后者起到了遮光和控制曝光的作用。
图2-8
2.3.3 行间转移架构
行间转移架构（interline transfer）在外观设计上与全帧CCD类似，不同之处在于，每个像素旁边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，无需搭配机械快门，较高的帧转移效率，因此，影像拖尾效应也相对减少。缺点是，更复杂的设计架构和更高的制作成本。
三、数字影像之「芯」：CMOS
3.1 CMOS结构
1992年，美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室科学家Eric Fossum博士发表了长篇论文，讨论了有源像素传感器技术的应用，后来便有了CMOS传感器的出现。
CMOS，英文全称为Complementary Metal-Oxide Semiconductor，译为「互补金属氧化物半导体」。CMOS影像传感器主要由以下四部分构成：
（1）微透镜：位于传感器最顶层，主要作用是将入射光线聚焦于光电二极管，提高光线的利用率。
（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线。
（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：内置主要元件为光电二极管，将光信号转换成电信号。
其横截面示意图如图3-1所示：
图3-1，Photo by IBM。
3.2 CMOS运行原理
与CCD最大的不同是，CMOS的每个像素都内置有一个独立的信号放大器，因此，CMOS传感器也被称为有源像素传感器（APS，Active Pixel Sensor）。光线进入CMOS后与光电二极管发生光电效应，偏压门电路控制后者的光敏性，从上至下逐行扫描式曝光，每个像素内产生的电信号均被立即放大（相关知识，可阅读影像派之前的文章《摄影知识科普 | 你最熟悉的「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，然后输送至信号放大器，最后传至图像处理器。
示意图如图3-2所示：
图3-2
3.3 前照式 vs 背照式
根据结构的不同，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点：
光线在照射到光电二极管时要先经过电路，电路中的金属线会反射一部分入射光，这不仅直接降低了光线的利用率，而且光线的散射也增加了系统的噪声，降低了传感器的宽容度。
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基础上进行了改进与升级，将光电二级管置于电路上方，入射光经过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：
大大缩短了光线抵达光电二极管的路径，减少了光线的散射，使光线更聚焦，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技术的重大改进，对传统CMOS具有更大的竞争优势。
四、CCD vs CMOS
最后，我们来简单对比一下两类影像传感器的优劣。
4.1 CCD的优劣
CCD传感器的主要优点是高画质（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、制作成本高和低处理效率等缺点。CCD主要应用于对画质和宽容度要求较高的领域，如航天、医学等。
4.2 CMOS的优劣
由于每像素都有独立放大器，而且每一列都有模拟/数字信号转换器，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。低廉的生产成本使得CMOS有技术应用普及、高度商业化的优势。CMOS的这些优点，都是CCD所不具有的。
然而，CMOS并非完美。大量增加了信号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，使得最终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、低成本、低能耗等优势，一直主宰着消费级数码相机和手机摄影领域，但并不意味着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。
结语
综观全文，我们从原子结构的角度切入，引出了半导体，继而深入探讨了CCD和CMOS，分别向大家简要介绍了各自的物理结构和运行原理。文章虽长，但依旧难免疏漏，无法做到面面俱到，只因传感器的真实世界远比我们想象中要复杂和浩瀚。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。不足之处，还望读者斧正。
参考文献
[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；