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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。 
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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