CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件，可称为CCD图像传感器）的发明颠覆了人类记录影像的方式。时至今日，数字化的影像不仅是科学分析的重要工具，也深入每个人的日常生活，如图4-1所示。

CCD的发明者维纳德·波利（Willard S.Boyle）与乔治·史密斯（George E.Smith）获得了2009年的诺贝尔物理奖。他们在1969年构想出CCD工作原理之后，没过几个月就用手边的材料和零件制造出了第一台样机，如图4-2所示。基于这项发明，目前世界上每年生产数千万台数码相机和望远镜的成像仪。

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线、储存信号并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给相邻的图像处理器来形成图像。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD广泛应用于数码摄影、天文学，尤其是光学遥感技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术（如Lucky imaging）等领域。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中也应用广泛。

目前全球每年都会生产数千万个CCD，以满足大众数码相机的市场需要，结果证明它是科学领域的一项重大技术变革。它在被忽视数十年之后，能获得2009年的诺贝尔奖可算是一个小意外，不过确实实至名归。

1969年10月，史密斯和波利在贝尔实验室吃午餐时，讨论产生了灵感。午餐后继续探讨，当天就构想出了这个无处不在的成像发明。顶着上司杰克·莫顿（Jack Morton）所施加的强大压力，这两人在几个月内就造出了这个成像设备的样机。

不过，从造出样机到研制出科学家和摄影师都可以使用的实用技术，这条路漫长而艰难。尽管CCD后来主宰了天文学领域，但它在刚发明时分辨率非常低，根本派不上实际用场。当时CCD的信噪比很差，不大容易看得出它是否会有远大的前程。

1974年的预算削减，对在大型空间望远镜（LST，哈勃望远镜）上安装当时还没几分把握却很昂贵的CCD构成了威胁。面对这一局面，一位天文学家慷慨激昂地为这项技术进行了辩护。“距离LST获得上天机会还有八年，如果现在就决定用一个已经过时的、落后的探测器，我觉得将来肯定会认为这项抉择不够高明——从其他方向也看得出来，这只是为了降低LST的成本而已。”杰出的天文物理学家玛格丽特·伯比奇（Margaret Burbidge）说，“这就好比在治疗病人时，为了节省心肌将血液输送到全身各处所消耗的能量，而决定切除心脏。”

在接下来的几年里，成百上千的科学家和工程师努力奋斗，逐步将CCD推向实用化，包括美国的仙童（Fairchild）、柯达泰克（Tektronix）和德州仪器（Texas lnstruments，Tl），以及日本的夏普（Sharp）、索尼（SONY）、东芝（Toshiba）和日本电气（NEC）等公司都作出了许多贡献。航天、科学和消费等方面的应用，都得益于为解决CCD问题而从不同渠道投入的经费，但是问题还是很棘手，那是一条非常艰苦的发展之路。将近十年之后，他们将最新的相机装进了天文台望远镜，并将其用于测量浅蓝色星系的分布，如图4-3所示。这项工作为暗能量（这是推动宇宙向外加速的神秘力量）提供了确实存在的一个重要证据。

在过去几十年间，美国太空探测计划中所用的照相设备，有许多都是Tl公司生产的CCD影像系统，例如环绕土星的伽利略航天器（Galileo space probe）上装置的CCD照相系统，而主持该CCD项目的首席科学家就是汉尼协克博士（Jaroslav Hynecek）。

汉尼协克博士1940年出生于捷克，和许多留学生一样，毕业后在捷克工作了几年便到美国留学，1974年他获得俄亥俄州凯斯西储大学（Case Western Reserve University）电机工程博士学位，两年后，他进入Tl公司从基层研究员做起。他在CCD的设计和工艺两方面同时下工夫钻研，不断实验以改进CCD的成像效率，因为要兼顾设计和工艺，他花的工夫几乎是别人的两倍。正因为他加倍的努力，1978年他首先发明了“虚拟相”CCD工艺技术，当年这是一个非常巧妙的方法，可以大大减少CCD成像时的暗电流；1993年他又发明了“lmpactron”技术用以加强CCD的影像信息等。就在汉尼协克博士发明CCD的同时，另外一支俄罗斯的团队也开发出了类似的“虚拟相”CCD工艺技术，但由于当时的冷战等因素，该团队没有申请专利，但俄国团队还是有相当的贡献。通过这件事，我们获得了一个启示：有了新的科技创新的时候，一定要及时申请专利来保护自己的知识产权，往后才可以享受创造发明带来的成果。

如今，几乎所有大天文台都使用了CCD，它们还成为医学成像领域乃至所有需要捕捉光子的科学领域的黄金标准。

尽管后来ClS成像技术逐渐进入消费电子的领域，但在高端科学领域，还没有技术比得上巨型CCD，如图4-4所示。美国加州大学戴维斯分校的天文学家托尼·泰森（Tony Tyson）在20世纪70年代末曾说道：“在科学成像方面，该技术天下无敌。”

现任哈佛大学工程与物理科学学院院长雪莉·穆瑞（Cherry Murray），曾在贝尔实验室与史密斯和波利共过事，他说：“比如说，回到30年前，就是我在贝尔实验室工作的时候，我们都认为CCD完全配得上获诺贝尔奖。它被忽视了太久……很高兴看到他们获奖”（见图4-5）。

在CCD成像芯片的工艺和传感器单元（pixel）的结构方面，日本的科学家和工程师也功不可没，例如东芝和索尼在这方面都有很大的贡献。正是由于日本工程师解决了大量的工艺问题，才使得CCD在商业领域得到了广泛的应用。除了航天等军事用途外，CCD的技术走进了千家万户，同时日本公司也凭此技术在CCD市场一枝独秀。1998年，一种基于CCD技术的互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS lmage Sensor，ClS）也诞生了。ClS采用感光元件作为影像捕获的基本手段，感光元件的核心都是一个感光二极管，该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应；但在周边组成上，ClS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三个晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，这样ClS感光元件所能捕捉到的光信号明显较小，灵敏度较低；体现在输出结果上，就是ClS捕捉到的图像内容不太丰富，图像细节丢失情况严重且噪声明显，这也是早期ClS只能用于低端场合的一大原因。

时至今日，ClS基本已经把CCD工艺上累积的经验直接移植到了ClS的工艺线上。由于ClS的工艺成本较低，单位体积更小，因此ClS的性能和感光单元数目都大大超过CCD的水平，价格却比CCD便宜得多。ClS的应用范围也非常广泛，包括数码相机、PC Camera、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等领域。在低档产品方面，其画质质量已接近CCD的解析度。

ClS是多媒体产品中不可或缺的重要器件之一，也是数码相机、监控设备、图像采集设备中的核心器件。随着数码相机、手机相机的兴起以及对图像质量要求的不断提高，更加突显了图像传感器的重要作用。

CCD和ClS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而ClS是集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质上的区别，如图4-6所示。

（1）与CCD相比，ClS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。

（2）与CCD产品相比，ClS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随着半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的ClS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。

（3）ClS具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC等，都可集成在一个芯片上，甚至所有的芯片包括后端芯片、快闪存储器等也可整合成单芯片，以达到降低整机生产成本的目的。

作为摄像头、数码相机和照相手机基本的成像元件，ClS的市场供应一直由几个知名的国际厂商所把持，每年的市场规模超过20亿美元。

近年来，华人在ClS领域的突破也是飞跃性的，美国加州圣克拉拉市的豪威科技公司（OmniVision Technologies lnc.）表现就尤为突出，在ClS的领域里，无论在技术还是产量上都是全球首屈一指的。创办人洪筱英先生经过多年的经营，已经带领豪威科技成为成长率最高的华裔企业之一。

中国本地的几家lC设计公司也早在七八年前就看到了这一巨大市场。当时他们就提出了雄心勃勃的发展计划，也很快地做出了摄像头用的ClS产品。三家带有海归派背景的新兴lC设计公司正飞速进入这个领域，如今他们已经生产出商业用百万像素级产品，竞争矛头直指国际对手，甚至有两家公司已进入了在国内量产的程序。这三家公司分别是上海格科微电子（创办人是赵立新先生）、昆山锐芯微电子有限公司（由上海锐晶微和天津晶奇微两家公司合并而成，创办人是罗文哲、曹庆红和李斌桥三位博士）和北京思比科公司（创办人是陈杰博士）。对于图像的清晰度和分辨率，以上三家均可以做到数百万像素以上的水平，如图4-7所示。

是什么原因促使格科微电子、昆山锐芯微电子有限公司和北京思比科公司等公司大踏步地进入ClS市场呢？不约而同的，他们的回答是：“创新的专利技术”。

其中的格科微电子公司于2004年3月完成VGA格式的传感器设计，由中芯国际采用0.18微米工艺进行投片，5月调试图像成功；2004年6月完成130万像素SXGA（1280×1024）格式的产品设计，8月调试图像成功；同年9月该公司的1/4英寸的VGA确认版投片，12月通过产品认证。

从产品结构来看，格科微电子由于采用了该公司专利的架构技术，传统的图形架构会造成的色彩干扰问题得以解决；并且，这种架构还使图像的层次感较强、显示的真实性较高。在图像处理方面还进行了颜色纠正，保证色彩的充分还原。同时还采用了独特的工艺技术，确保产品能达到CCD传感器的图像品质。此外，产品还具有功耗低、尺寸小、成本低的特色（见图4-8）。

格科微电子的创办人赵立新先生从小就热爱发明创造，1984年就获得了全国青少年创造发明比赛一等奖，1985年保送至清华大学的无线电系，在清华完成了本科和研究生的全部课程。经过13年先后在新加坡和美国公司的历练，赵立新先生于2003年回国创立了格科微电子有限公司。赵先生从小傲人的天分是值得我们佩服的，但他从不恃才傲物、努力学习进修的精神更是值得我们每一个人学习的。通往成功的必经之路并不仅仅是天赋，更重要的是勤奋。

锐芯微的三位创办人均是来自清华大学的海归留学生，在海外长年的工作中累积了丰富的经验。三位创办人看到ClS的优势，即有较低的成本，更好的兼容性，有潜力做出速率更高、画质更丰富的传感器；但也看到了必须面临的挑战，例如比较容易产生较大的暗电流和电路噪声等。

锐芯微在研发ClS消费品的同时，也看到高端产品的需求在日益扩大，所以将ClS图像传感器的研发推向更高的水平便成为锐芯微的目标。锐芯微的研发团队在高速高帧率的要求下，通过反复的实验、改进，设计出性能高、适合于高速的五管像素（传统上是四管像素）；同时也设计出高速并行的读出结构，以达到每秒120帧以上的帧率。在抑制暗电流和噪声的问题上，研发团队通过对图像传感器噪声的分类分析，发明了消除固形噪声的突破性方法，使得固形噪声降至原来的20%以下，极大地提高了图像传感器的画质。锐芯微的工程师们充分地利用了国人善于逻辑思维和运算的优势，再加上在硬件上的配合，最终攻克了这座科技上的壁垒。在降低产品功耗的课题上，工程师们也是对芯片工作中的能量来源作了详细的分析，从而发明了降低功耗的独到方法。他们发现在传统的光电信号测试过程中，有些时间有部分电路在空转。他们的科研小组对这一部分的电路进行了重新设计，使得效率大大提升，从而达到了降低功耗的效果。锐芯微还与中芯国际合作，首次利用国内的芯片制造技术成功研发了0.11μm的ClS芯片。

北京思比科微电子公司也是一家由归国留学人员创办的高新技术企业。公司的核心技术为具有自主知识产权的“超级像素信号处理”技术和“超级图像处理技术”，围绕这两大核心技术，公司申请了多项专利。近几年来成功开发了用于手机拍照的百万像素ClS系列芯片（2006年开发成功并量产的200万像素ClS芯片（见4-9右图）与国外公司同类ClS芯片（见4-9左图）比较，效果优于后者）。2007年，击败了日本东芝、NEC、意法半导体等公司，成功中标日本西铁城公司的LCOS微型投影仪图像处理芯片开发及产业化项目。

2007年，思比科微电子公司基于国内0.18μm ClS工艺成功开发了中国首款动态范围广、温度特性高的高动态范围工业级ClS芯片，成为了世界上掌握高动态工业级ClS芯片设计技术的单位之一。

思比科微电子公司的创办人陈杰博士初期在国内的研究教学单位工作，1988年公派赴日留学，在日本国立电气通信大学获得电子工程学博士学位，先后任日本YOZAN公司高级研究员、日本国立电气通信大学副教授等职，怀着一颗爱国报国之心陈杰博士于2001年回国。之后率先开展CMOS图像传感器芯片的研究，培养了国内第一位CMOS图像传感器芯片设计专业的博士研究生。陈杰博士在学术界继续从事图像处理、信号处理和数模混合大规模集成电路的设计研究工作，在教育领域继续培养高新技术人才，也参与本土产业化、商业化的过程。

从以上三个公司创办人的经历上，我们不难看出他们都是学术界和商业界成功结合的典范。专业科技研究机构和商业化运作的融合和互补为企业的创新发明开辟了另一条新的道路。不但学术成果得到更广泛的应用，企业也获得更大的社会效益。

参考文献

1．http：//www.wired.com/wiredscience/2009/10/ccd-science/连线杂志对CCD技术的介绍

2．http：//inventors.about.com/od/cstartinventions/a/CCD.htm CCD技术发明的历史

3．http：//www.gcoreinc.com/news_detail.asp_id=83.html CCD技术的介绍 Cnl1jkscTWvfOn0nJMAXnh0PdwviWiRApPPBzWbBHFELiIdKFQPt7R3+oszloi5G