1  引言

      数码相机具备取代传统相机的条件，300 dpi分辨率出片的照片与传统135胶片放大的相片相当。有效像素1.92 M像素的数码相机物理点阵为1600×1200，具有5英寸(1英寸=2.54 cm，下同)照片的清晰度。数码技术的发展迫使老牌感光材料公司转行。2007年，1／1.8英寸，10 M像素的进口相机￥2000，采用1／1.7英寸，7.1 M像素Super CCD的富士相机仅￥1200，1／2.5英寸，5 M像素相机甚至只要￥800，其关键芯片CCD技术更迭迅速，如边长22 mm，4096×4096像素大型CMOS低于15$／片，利润水平大幅下滑，导致部分大公司退出这一领域。

      2  CCD相关技术与经济参数

      2.1  大感光像素CCD技术参数分析

      当前市场上流行的固体摄像机，CCD尺寸从较早的1／2英寸一直缩小到1／6英寸。从测试效果分析，随着尺寸减小，画面质量有明显降低，噪声、串色等问题比较明显，如Panasonic的1／6英寸TV摄像机。针对大量商用CCD／CMOS器件难以改变控制电路和功能，从AGC生成技术机理出发，胡建人等人提出光学方法抑制AGC变动幅度的技术，企图绕开我国薄弱的CCD工业生产，力求获得有较佳线性度的面阵光电传感器件，它适合当前流行的廉价单板CCD或者CMOS。另外存在特种CCD芯片和系统的需求市场，表1列出了几种大像素的CCD芯片及其应用系统的性能。上海天文台(2002年)使用2片边长49.125 mm，4M像素CCD，由Lick Observatory制作控制电路和软件，总费用过百万美元；德同Bruker公司D8 X射线衍射仪的3万美元选配件APEXII探测器采用的CCD面积62 mm×62 mm，15μm×15μm／像素，CCD表面带磷光膜，适用于Mo，Cu靶光源，量子效率>170电子／X光子。X衍射仪的产量稀少，探测器件的用量必然少。这种器件难以在生产线上量产，非常适合用实验室设备研制。大像素的感光面积大，制作的量子阱面积也大。在同样深的量子阱内的电子数量可近似简化为阱面积A×平均阱深W，这提高了囚禁的光电子数量。分辨率与电磁学粒子数统计涨落有关，动态范围与满阱电子数和分辨率有关，高满阱电子数的CCD容易获得大动态范围。由表1可见，20 bit的4 K CCD每bit对应间隔△=30.5e，这个结果较好地满足了电磁学粒子涨落规律和平滑的要求。比较弱光观察的天文望远镜CCD，据表1第2列数据算出△=6.4e，较小的数值与其在-120℃工作温度下的读出噪声相当。

      统计和分析国外的各种科研用CCD图像传感器，技术参数和特点虽然各有不同，但均采用较大的像素(6.5～12μm2)，系统自带制冷，分辨率12～16 bit低读出噪声和低暗电流。例如，SPOT Persuit，Xplorer的指标分别为低于窒温33℃，71 ℃，两者暗电流相差10倍(0.022，0.002e／pix•s)，21.4 mm CCD，10.4μm×10.4μm／像素，2048×2048像素，满阱30000e，14 bit分辨率基本与其暗电流和读出噪声相当。CMOS的读出噪声是CCD的数倍，如PCO 1200 h 10 bit高速科研用CMOS相机，12 μm×12μm／像素，1280×1024像素，读出噪声85e／rms，是多数CCD科研相机的10倍甚至更高。CMOS采用开关方式读出光电子，决定了其噪声水平必然较采用电荷移位方式的CCD高。科研数码相机应优先选用和发展CCD型。

      2.2  大像素CCD制作条件

      无论从IC商业化水平和赢利能力，还是从技术设备生产条件分析，我国尚不具备进入CCD生产制造领域的能力，但在一些特种器件的加工和实验室研发上，我国具备①人力成本相对低廉；②大国有相当的技术沉淀；③近年来国内IC代工厂的快速发展壮大等一定的优势。利用上述几点，若能采用边研发、生产，边积累研发资金的滚动式开发策略，可以积累技术，培养和留住相关技术人才。以62 mm×62 mm的CCD芯片为例，对角线长度87.7 mm=3.46英寸，国内有些研究院还在用4英寸设备，硅片直径4英寸=102mm，对角线余量15.8％，两边边缘各有余量7.4％；12，15，24μm感光元对掩模板制作、定位等的技术设备精度要求较低，利用现有设备和实验技术即可加工；实验室单件设计和加工不存在规模生产中致命的CCD与CMOS生产线不兼容的问题。实验室本身就承担研发任务，合理地利用技术优势及与之相适应的设备，研发适应市场需求的特种器件，于国、于实验部门、于已有的技术发展，从财力可及等方面考虑均很有利。IC行业发展应利用自有技术相对优势，合适的财政、资金需求切人市场，避开自身的短处。

      3  CCD发展策略研究

      3.1  特种CCD开发积累与发展

      IC制造业由0.18，0.13μm，发展到90 nm及以下工艺，技术不断更新。为降低生产成本，CCD的尺寸做得越来越小。介人高竞争性行业，风险远大于收益。国际上RAM生产企业的技术不可谓不先进，但依然会产生巨额亏损就是先例。纵观当代CCD产业，日本占领了商业数码相机的主导地位，而美国进人科研等高要求、高附加值的领域，韩国和欧洲分别在商业和科研CCD上争取了一些份额。大像素CCD器件价格明显高于小像素，如10M像素CCD数码相机的价格，1／1.8英寸的比1／2.5英寸的贵50％～60％。看似落后、无出路的大制程技术，在CCD探测器要求高动态范围、高灵敏度、大感光接收面积，少量特殊定单的情况下，有其可以单件制作、设备和制造成本低的天然优势。

      我国的实验室从32×32，75×100，108×108像素起步，在20世纪末已经研制出756×581，800×800像素CCD器件；还研制出1024×1024，2048×2048像素的器件，以及红外特种器件，并采用CMOS工艺或APS。尽管有了这些实验室技术能力，但难以真正实现商业化生产。我们缺乏的是成熟的生产工艺和批量生产能力，产品快速更新的应变能力，加上资本短缺，商业化运作能力薄弱，以及后发的品牌劣势，这决定了研制商用型CCD难以实现产业化生产和赢利。应根据自有技术能力和资本实力，扬长避短，走适合自己技术水平的特色发展道路。可紧密结合特种CCD传感器的需求，从大面积、少像素(如512×512，256×256，甚至更少)开始做起，毕竟市场是龙头，应用是第一位的。少像素CCD的控制器制作和调试相对容易，利用C8051F330 EMCU作控制器，我国研制出帧频2000 fps，25像素的贫点阵探测系统。

      3.2  大像素CCD与传统光学工业适配性

      大感光面积像素的CCD对前置透镜的分辨率要求降低，适合我国传统的光学加工能力。例如我国设计生产的经典135 DF相机的高斯镜头中心解像力37线／mm，换算成分辨率=27 μm，低于大多数CCD像素尺寸；海鸥4型120相机的4片3组天塞镜头中心解像力只有22线／mm，即45μm的分辨率。采用大感光面积CCD甚至在一些探测场合可以省略对透过的光波段有限制的透镜，可消除透镜色差问题。我国的研发实验室可从特种CCD起步，逐步进入表面覆膜的紫外增敏、X射线增敏和红外增敏领域，提高特种CCD传感器的覆盖范围，做到人无我有，人有我精，走差异化发展道路。上海微系统研究所避开高技术、高投入的IC制造领域，从MEMS切入，在国内微型传感器研发上居于醒目的地位就是很好的例证。

      3.3  影晌CCD性能的相关技术措施和控制系统配置

      CCD传感器和成像技术是一个系统工程，不仅涉及到CCD器件研制，还涉及信号处理和CCD器件控制、外围环境控制，可用软件技术克服CCD器件固有的若干缺陷。发达国家的实验室技术细分和协作值得我们借鉴。例如美国加州大学Lick天文台的CCD实验室为多家定制方研制的多套Tek2048×2048像素CCD照相系统，采用SITe公司科研级CCD自行研制CCD控制器和天文观察程序；德国Bruker APEXII CCD、PT200C以及其他公司生产的CCD相机，均将CCD(外购)及其控制器、外围环境控制(CCD冷却到低温)组成一个统一的系统，如图1所示。

      科研型CCD不仅是CCD传感器件的研制问题，更重要的是系统相关部件和软硬件配套。Kodak公司数码相机在色彩还原处理上继承了其传统，天文观察CCD在软件中增加了本底暗流扫描扣除，有些科研数码相机用数字补偿温度等方法提高性能。我们实测的CCD每个像素输出信号幅度均有差异，只能通过控制器后期校正和校验测试归一化来保持传感器各像素性能的一致性。采用DSP+CPLD的形式可以通过软件设置调整CCD功能和系统升级，是CCD系统的发展方向，可避免国外公司的控制器无相关电路和软件资料，用户无法自行修正和升级系统的弊病。FPGA具备数据并行处理能力，图像处理速度快、实时性超过DSP；基于微机的VI技术及图形符号化编程软件能较快速地配置CCD，避免过多的CCD控制的底层程序设计，适合非高速采样场合和大型仪器国产化的需要。实现CCD控制器的技术途径多样化和可编程性为提高CCD成像系统的性能和用户自行开发、扩展系统功能提供了便利。

      4  结  论

      图像传感器件CCD是航空航天、军民两宜技术，技术含量高，但介入风险大，国家不能完全放弃这一领域，应贯彻有所为、有所不为的策略。大接收面积CCD有其天然的总接收光通量大、灵敏度高、制作容易、干扰小、不容易串扰、势阱光电子容纳能力大、动态范围宽的优势，读出噪声容易满足电磁学粒子数统汁涨落基本规律；尽管其占用硅片面积大，成本高，但有定位要求低，可利用实验室现有工艺、设备和技术，改变控制部分相对容易的优点。目前，低端的CCD采用1／6英寸、1／4英寸、1／3英寸，中等如数码相机采用1／2英寸左右，高档科研型常用大尺寸CCD。大CCD有其特殊应用背景和潜力，我国医用X光机数字化改造就需要相当大数量的CCD器件。CCD是一类军民两用的重要光学传感器，尖端器件即使花高价也未必能购买到；CCD技术是一个系统工程，涉及到控制器及其实施技术，芯片冷却可降低暗电流和噪声，提高分辨率和性能。CCD研发主要由IC芯片设计、制作和控制器设计两部分组成，强大的控制器研发团队可发挥各种CCD芯片的潜在性能，获得较好的整体效果。应平衡发展，研究适合我国现有技术水平、设备条件和资本、商业氛围的特种器件，发挥高速DSP、具有数据并行处理的FPGA器件和VI软件容易配置的优势研发配套系统，扬长避短，滚动式积累研发资金，贮备相关技术和人才，提高国产器件和系统的技术水平，降低外汇消耗、打破高科技封锁和禁运，为国家消除经济技术隐患。