为什么普通CCD或CMOS相机不能拍摄254nm波段的紫外图像.docx
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CCD和CMOS的分类及技术特点可以预见的未来，两种传感器将在各自的成像领域中扮演重要的角色。
那些成功的高端图像捕捉应用用户将不止考虑基本的技术因素，而且还必须考虑其持续发展性、适应性和技术支持性。
他们将会在CCD和CMOS传感器供应商的保证下在这种动态技术发展环境中作出长远的考虑。
CCD和CMOS图象传感器均以象素化的金属氧化半导体构成。
它们的每个象素通过积累与入射光强成比例的信号电荷完成与空间一一对应的采样功能。
当曝光结束以后，CCD传感器将信号电荷包按照一定的次序转移到一个公共的输出结构中，在这里信号电荷被转换为电压，同时作为一个缓冲区域将其送出。
在CMOS图象传感器中，信号电荷到电压的转换在每个象素内部进行。
这种信号读出结构的不同带来了两种传感器不同的内部结构、适用性以及各自的局限性。
在CCD传感器中，大部分功能在相机的印刷电路板中生成。
如果应用需要变化，设计师只要重新设计这个电路板而不必重新设计图象传感器。
而CMOS图象传感器在象素内部完成电荷电压的转换，并且大部分功能被集成在了传感器内部。
虽然如此会降低传感器的应用灵活性，但是却增加了其在恶劣环境中的可靠性。
下面是图象传感器的八个主要特性参数：
1灵敏度（Responsivity）：
传感器对单位光照积累信号的能力。
一般来说，由于CMOS传感器的增益部分可以在内部轻易实现，因此它比CCD要或多或少地占些优势。
两者内部的互补晶体管电路可以允许低功耗、高增益的放大输出，CCD相对要消耗更多的能量。
某些CCD生产商正在通过最新的读出放大技术改善这种状况。
2动态范围（DynamicRange）：
传感器象素达到饱和时的电压输出于其能够响应的最低光照的电压输出的比值。
通常CCD的动态范围比CMOS传感器高出约1倍左右。
同时，CCD器件由于芯片内部集成器件少而有着更低的噪声输出。
在外部，通过对CCD芯片的制冷技术、采用更好的光学系统，可以实现比CMOS器件更高的分辨率和适应性。
3象素均匀性（Uniformity）：
在理想均匀光照条件下各个象素输出的差异。
理想状态下各个象素在均匀光照的条件下的输出应当是相同的，但是由于现有的晶片工艺在空间上的差异，尤其是其中的暇疪和放大器参数的不一致，造成的象素输出是非均匀的。
需要注意的是在光照条件下的均匀性和接近全暗条件下的均匀性（后者为暗电流噪声）是两个不同的概念。
CMOS传感器在上述两种条件下的均匀性均处于劣势，这是由于它的每个象素都包含一个开环输出放大器，而放大器的增益、偏置等参数在目前的晶片工艺下无法达到很高的一致性。
某些人甚至预测随着几何尺寸的缩减和差异的增加，CCD将最终击败CMOS传感器。
尽管如此，基于反馈的放大器结构可以在光照条件下对增益和均匀性作最佳的折衷处理。
这种放大器结构可以使得CMOS传感器的光照均匀性接近CCD传感器的水平。
另一方面，CMOS的放大器在偏置参数上仍无法保证均匀性，这主要的表现就是无光照条件下的均匀性参数。
尽管CMOS的生产商采取各种方法降低这种非均匀性，但是现在它仍然无法达到CCD的水平。
这个参数在高速应用中尤为重要，因为这种非均匀性在高速使用时将对整体输出起到显著影响。
4快门速度：
开始和结束曝光的能力。
这是基本上所有消费级和大部分工业级CCD的标准参数，尤其是在隔行转移器件中，它也是机器视觉应用中一个极重要的参数。
CCD可以采用高级的电子快门技术，在损失最小的填充率（即有效曝光区域和传感器有效感光区域物理尺寸的比值）上达到最佳的折衷，即使是小象素的CCD传感器也是如此。
在CMOS器件中实现均匀的电子快门需要为CMOS的每个象素增加许多晶体管电路。
在线阵CMOS器件中，电子快门因为可以在与每个象素对应的有效感光部分放置而不会影响到填充率。
而在面阵CMOS传感器中，电子快门则会影响到填充率参数，因为增加的不透光的电子快门晶体管电路将放置在每个象素的光敏区域中，面阵CMOS图象传感器的设计师通过下面两种方法解决这个问题：
快门速度对于诸如军事目标识别和采集应用尤为重要，“滚动快门”可以在CMOS器件上实现开启和关闭快门的功能，但是却会使得运动物体的图象变形。
采用一个非均匀的快门，称之为滚动快门，通过对不同的扫描线在不同的时间曝光实现整体曝光（译者注：
类似于传统相机的快门幕帘）。
这样可以减少象素间的电子快门晶体管电路，提高填充率。
这对于消费级应用是可以接受的，但是在高端应用中，它却会造成对运动物体的成像变形产生。
采用均匀的同步快门，有时也称作非滚动快门（类似于传统相机的镜间快门），对所有象素同时曝光，没有成像变形存在，但是却增加了单位象素的面积。
用户必须自己选择使用体积小的、低填充率的、低成本的这种器件还是体积大的、高填充率的和昂贵的器件。
快门速度对于诸如军事目标识别和采集应用尤为重要，“滚动快门”可以在CMOS器件上实现开启和关闭快门的功能，但是却会使得运动物体的图象变形。
5速度：
由于CMOS的驱动部分集成在器件内部，减少了诸如电感、电容及传输延时等，因此通常可以达到比CCD更高的运行速度。
目前CMOS器件的速度并没有达到其最高水平，这是因为早期关注的焦点是在对速度要求不高的消费领域的应用，而CCD通常应用于工业、科学和医疗领域。
6窗口功能：
CMOS传感器的一个特殊的功能就是允许读出图象阵列的一部分。
这有利于提高其扫描速度。
在某些场合的应用中，例如对短时间内物体轨迹高精度跟踪的应用，需要利用CMOS器件的这个功能。
CCD传感器通常无法实现这个功能。
7抗溢出功能：
能够排耗局部曝光过度的电荷积累而不影响图象其它区域的能力。
CMOS传感器基本上天然的就是抗溢出的。
而CCD则需要增加额外的工程设计达到这个目标。
许多针对消费应用的CCD具有抗溢出功能，而针对科学应用的则没有这个功能。
8偏置和时钟CMOS传感器通常只需要一个偏置电压和一个低电压时钟信号。
非标准的偏置在芯片内部产生并与用户接口隔离，除非有一些噪声信号泄漏出来。
CCD则通常需要相对高的偏置电压，现代的CCD器件工艺也可以在低电压时钟下工作。
可靠性：
在绝大多数消费及工业应用中，两种传感器具有同样的可靠性。
在极度恶劣的环境下，CMOS由于集成度高的特点而具有优势。
CMOS器件同时还可以将诸如模拟数字转换、接口、数字图象处理等其它功能集成在一个芯片内，因此CMOS相机可以做的比CCD相机更加小巧。
然而用户需要考虑到CMOS传感器的这种高集成度带来的代价。
由于CMOS芯片是通过晶片光纤工艺所生产的，这些工艺流程相对于其它模拟混合数字芯片的生产工艺，在器件的体积和功耗上需要一些折衷。
虽然相对于CCD器件而言，CMOS器件具有更低的功耗，但是CMOS集成的功能的功耗要比CCD采用外围经过设计优化的模拟、数字及混合芯片的功耗要高。
从系统的角度来看，CMOS相机比CCD相机的功耗要低，但是这也不是所有的情况，尤其是在高速应用中（读出速度高于25MHz）如此。
另一个与系统集成的需要考虑的就是其适用性、灵活性以及改变设计的周期。
多数CMOS器件被设计用于消费或半消费领域，它们的集成度很高，通常只能用于一个或很少的几个应用场合。
系统设计师必须要注意不要试图在一个高端应用中使用这类器件。
CCD传感器，在另一方面，则更具备通用性。
器件的象素尺寸和分辨率是固定的，但用户可以针对诸如读出速度、动态范围、数字化深度、非线性模拟信号处理等作出不同的应用产品。
新产品的设计开发周期也是当今一个很重要的因素。
CMOS传感器的开发周期通常在18个月左右，当然这取决于它上面集成了多少功能模块，而且随着电路的愈来愈复杂，这个周期还要不断增加。
CCD的芯片设计周期只需要8个月左右，更改设计只需要更改外围电路板部分，而CMOS则需要重新开设一条晶片生产线来完成这个工作。
选择你的图象传感器CMOS传感器提供高集成度、低功耗和在保证图象质量（尤其是低照度下）前提下的更小的系统体积和一定的灵活性。
它适合于对图象质量要求不高的大批量应用场合。
这就决定了它最佳的应用场合是监控领域、视频会议、手持设备、条码扫描、传真、消费级扫描仪、玩具和汽车应用。
CCD则提供更好的像质及系统的灵活性，它仍然是高端图象应用的首选，例如数码相机、广播电视、高性能工业图象应用以及绝大多数科学研究和医疗应用场合。
更进一步，CCD由于其灵活性可以获得比CMOS器件更强系统差异。
持续消耗成本两者不相上下，这对于传统向CMOS器件的市场倾斜的厂商无疑是一个最大的矛盾。
谁的成本更低？
关于图象传感器的成本问题其实是最大的一个误解之一。
早期的CMOS支持者最主要的论点就是因为CMOS器件可以通过现有的大规模晶片生产线生产器件从而能够大幅度降低CMOS器件的成本。
然而，为了达到最佳的光电性能，CMOS图象传感器还是只能在小规模的混合信号处理晶片生产线上完成。
这就意味着相同产量和芯片级别的CMOS和CCD芯片的成本差异是很小的。
两者中任何一种都无法在这方面取得主导地位。
CMOS在系统成本方面或许要低于CCD系统，但是在元件级它并不便宜。
关于CMOS器件价格的更大的一个问题是其持续性。
许多CMOS的应用都假设基于大规模的应用，这种假设使得应用产品商必须以低于成本的价格取得竞争优势，这就导致必然有些厂商因为产量不足而提高价格，另一些则彻底被市场所淘汰。
CMOS用户必须要关心其器件供应商的效益情况以保证产品的持续性。
投资者总希望取得最大的收益，即使冒更大的风险，而客户则需要更好的稳定性。
从现在的情况来看，CCD和CMOS基本处于一个互补的技术层次上，一个能完成的功能另一个则完不成。
经过时间的流逝，这种差别会逐渐缩小，CMOS器件将会在更多的CCD传统应用中得到使用，但是这个过程也许最少需要10年的时间。
1CCD的基本工作原理CCD（ChargedCoupledDevice，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。
它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。
因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测1。
以下将分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。
1.1MOS电容器CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属氧化物半导体）电容器。
但工作原理与MOS晶体管不同。
CCD中的MOS电容器的形成方法是这样的2：
在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器（见图31）。
图31MOS电容器栅极电压变化对耗尽层的影响CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。
在电极施加栅极电压VG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。
在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如正栅压VG进一步增加，界面上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。
这样随着表面电势的进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。
而一旦出现反型层，MOS就认为处于反型状态（如图31所示）。
显然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。
反型层的电子来自耗尽层的电子空穴对的热产生过程。
对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。
因此在加有直流电压的金属板上叠加小的交流信号时，反型层中电子数目不会因叠有交流信号而变化。
1.2电荷存储当一束光投射到MOS电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入Si衬底，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存储。
从而表明了CCD存储电荷的功能。
一个CCD检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。
QS（108C/cm2）图32给定CCD参数时表面势VS与电荷QS的关系图32表示了Si-SiO2的表面电势VS与存储电荷QS的关系。
曲线的直线性好，说明两者之间有良好的反比例线性关系，这种线性关系很容易用半导体物理中“势阱”的概念来描述。
电子所以被加有栅极电压VG的MOS结构吸引到Si-SiO2的交接面处，是因为那里的势能最低。
在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与电极电压的关系恰如表面势VS与电荷QS的线性关系，如图33（a）所示。
图33（b）为反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。
当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，如图33（c）所示，此时?
表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。
UG=5VUG=10VUG=15V04081216（a）空势阱（b）填充1/3的势阱（c）全满势阱?
图33势阱1.3电荷转移为了便于理解在CCD中势阱电荷如何从一个位置移到另一个位置，取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察，见图34。
假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于域值电压的较低电压（例如2V）。
设图34（a）为零时刻（初始时刻），过t1时刻后，各电极上的电压变为如图34（b）所示，第二个电极仍保持为10V，第三个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧（间隔只有几微米），他们各自的对应势阱将合并在一起。
原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下的势阱所共有，如图34（b）和34（c）所示。
若此后电极上的电压变为图34（d）所示，第二个电极电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图34（e）。
由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。
通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。
CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。
图34所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图34（f）所示，这样的CCD称为三相CCD。
三相CCD的电荷耦合（传输）方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐个单元的转移。
另外必须强调指出的是，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极下转移到相邻电极下。
这对于图34所示的电极结构是一个关键问题。
如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极转移。
CCD便不能在外部时钟脉冲的作用下正常工作。
1.4电荷的注入和检测CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。
光注入就是当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。
而所谓电注入，就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。
在此仅讨论与本课题有关的光注入法。
CCD利用光电转换功能将投射到CCD上面的光学图像转换为电信号“图像”，即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。
其中光电转换功能的物理基础是半导体的光吸收。
当电磁辐射投射到半导体上面时，电磁辐射一部分被反射，另一部分透射，其余部分被半导体吸收。
所谓半导体光吸收，就是电子吸收光子并从一个能态跃迁到另一个较高能级的过程。
我们这里将要涉及到的是价带电子越过禁带到导带的跃迁，和局域杂质或缺陷周围的束缚电子（或空穴）到导带（获价带）的跃迁。
他们分别称为本征吸收和非本征吸收。
CCD利用处于表面深耗尽状态的一系列MOS电容器（称为感光单元或光敏单元）收集光产生的少数载流子。
这些收集势阱是相互隔离的。
由此可见，光转换成电的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分离的采样过程。
另外，衬底每吸收一个光子，反型区中就多一个电子，这种光子数目与存储电荷的定量关系正是CCD检测器用于对光信号作定量分析的依据。
转移到CCD输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷/电压（电流）的线性变换，称之为电荷检测。
从应用角度对电荷检测提出的要求是检测的线性、检测的增益和检测引起的噪声。
针对不同的使用要求，有几种常用的检测电路，如栅电容电荷积分器、差动电路积分器以及带浮置栅和分布浮置栅放大器的输出电路。
这里就不一一叙述了。
2CCD的光谱分析特性2.1电荷转移效率（CTE）CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为其最重要的性能之一。
把一次转移之后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率。
好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.9999953，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。
例如，一个有2048像元的CCD，其信号电荷的总的电荷转移效率为0.9999952048，即0.9898，损失率只有约0.1%。
图35常用固态光谱检测器量子效率对比2.2量子效率（QE）4图35比较了典型的PMT（光电倍增管）、PDA（光电二极管阵列）、CID（电荷注入器件）和CCD的量子效率。
可见，CCD的量子效率大大优于PDA和CID，在400700nm波段优于PMT。
但是，不同厂商制造的CCD在几何尺寸、制造方法、材料上有所不同，结果它们的QE差别较大。
如有的CCD只在350900nm波段的QE达10%以上，有的CCD在2001000nm波段都有很高的量子效率。
造成QE下降的主要原因是CCD结构中的多晶硅电极或绝缘层把光子吸收了，尤其是对紫外部分的光吸收较多，这部分光子不产生光生电荷。
许多线阵CCD对紫外光的响应较差就是这个原因。
采用化学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式，可以减少由吸收导致的量子效率损失。
背部照射减薄的CCD在真空紫外区的工作极限可达1000?
。
2.3暗电流CCD在低温工作时，暗电流非常低，暗电流是由热生电荷载流子引起的，冷却会使热生电荷的生成速率大为降低3。
但是CCD的冷却温度不能太低，因为光生电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点的能力随温度的下降而降低。
制冷到150K的CCD暗电流小于0.001个电子检测元秒5。
2.4动态范围（3.1）动态范围DR的定义为：
其中VSAT为饱和输出电压，VDRK为有效像元的平均暗电流输出电压。
在正常工作条件下，CCD检测器的所有像元经历同时曝光，式（3.1）表示的是单个检测像元的动态范围，即简单动态范围。
CCD的简单动态范围非常大，宽达10个数量级。
以7500?
的红光光子为例，CCD可在1毫秒积分时间内对光强达每秒5109个光子的光束响应。
可以对每秒710-2个光子的光源响应。
而且在整个动态范围响应内，都能保持线性响应。
这一特性对光谱的定量分析具有特别的意义。
但在一些光谱分析中，如AES（原子发射光谱）中，实际的动态范围达不到那么大的值。
一种扩展CCD动态范围的方法是根据光的强弱改变每次测量的积分时间7，8。
强信号采用短的积分时间，弱信号采用长的积分时间。
这种方法测量强信号旁的弱信号非常不利，存在Blooming（溢出）的问题，特别是对于AES。
通过改进CCD制作工艺生产出来的性能优秀的CCD已在不同程度上解决了这个问题。
FullFramevs.InterlineTransferCCDs想说说这两种CCD，可是怎么翻译这两个词，可把俺难住了。
从字面译过来，应该是“全框CCD和行间传递CCD”，俺找不到更好的词了。
但是这样译俺认为对正确理解它的意义并无帮助，甚至可能会让人误解。
有些人把它们译成受逐行CCD和隔行CCD。
让人联想到逐行扫描显示器和隔行扫描显示器。
无论从字面翻译还是从实际意义，这都是绝对错误的。
那么，俺在下文中还是用FullFrameCCD和InterlineTransferCCD这两个词吧。
你的典型的消费级的数码相机，用的一般都是InterlineTransferCCD。
它的结构如下图。
把一块半导体上集成制造出感光器件：
光电二极管，和一些电路。
每个单元呈整齐的矩阵式排列，多少行多少列。
行数乘以列数就是这个CCD的象素数量。
每个象素单元中（左下角的小图），有大约30的面积用来制造光电二极管（红色部分）。
在剩余的可用面积中，会放置一个shiftregister（紫色部分，译成转移寄存器吧）。
在接受一个指令后，光电二极管感受到的光强，会被放置在这个shiftregister中并保持住。
这是一个模似量。
下一步，就是把这每一个象素中的光强值，变成数字量，再由相机中的处理器组合成一幅数字图像。
首先并行时钟激活第一行；串行时钟依次激活第1、2、3。
列。
这样第一行中和每个像素都被按顺序送出CCD，进入A/DConverter（模拟数字转换器，这种器件专门用来把模拟量转换成数字量）。
然后并行时钟激活第二行；串行时钟依次激活第1、2、3。
列。
这样第一行中和每个像素都被按顺序送出CCD，进入A/DConverter。
这样依次下去，每一行每一列的像素都被有序的转换成数字信号。
相机的处理器再把这些数字化的象素组合成一幅数字图像。
每一个像素单元中的shiftregister整齐的排成一列列的，把真正起感光作用的光电二极管夹在中间。
所以这种器件被叫作：
InterlineTransferCCD。
由于每个象素单元中，真正用于感光的面积只占30%左右，那么它的感光效率就比较低。
所以在真正的成品中，会在每个象素单元的上面，再造一个microlenses（译成微镜吧。
其实就是一个小的光学透镜），在图的左下角就是microlenses的示意图。
光学镜片在光电二极管的正上方，面积造得比较大，这样就能把更多的入射光集中到光电二极管上，使等效的感光面积达到象素面积的70%左右。
由于有shiftregister的存在，InterlineTransferCCD就不需要机械快门。
用电信号指示shiftregister把光电二极管的输出信号保持住，就已经完成了采样过程。
这就是电子快门。
shiftregister的存在，也使InterlineTransferCCD可以输出视频信号。
我们在彩色液晶取景器上能够看到活动的影像，也是shiftregister的功劳。
KODAK专业产品中采用的CCD，是FullFrameTransfer。
在每个像素单元中，有70%的面积用来制造光电二极管。
整个像素的框内几乎全是感光面积。
不需要也没办法放置更大面积的microlenses来提高它的采光量。
它的读出顺序和InterlineTransferCCD是一样的。
这种结构的好处是，可以得到尽量大的光电二极管，达到更好的成像质量。
可以说，同样的CCD面积，FullFrame肯定会有更好的性能。
缺点：
CCD不能输入Video图像。
不能用液晶显示屏做取景器。
必须以机械快门配合工作。
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