感光耦合元件（Charge Coupled Device ，簡稱CCD）為數位相機中可記錄光線變化的半導體，通常以百萬像素為單位。
基本介紹
- 中文名：感光耦合元件
- 外文名：Charge Coupled Device
- 單位：百萬像素
- 類型：半導體
概述,結構,工作原理,套用,相互競爭的科技,
概述
數位相機規格中的多少百萬像素，指的就是感光耦合元件的解析度，也代表著這台數位相機的感光耦合元件上有多少感光元件。 感光耦合元件主要材質為矽晶半導體，基本原理類似 CASIO 計算機上的太陽能電池，透過光電效應，由感光元件表面感應來源光線，從而轉換成儲存電荷的能力。簡單的說，當感光耦合元件表面接受到快門開啟，鏡頭進來的光線照射時， 即會將光線的能量轉換成電荷，光線越強、電荷也就越多，這些電荷就成為判斷光線強弱大小的依據。感光耦合元件上安排有通道線路，將這些電荷傳輸至放大解碼原件，就能還原 所有CCD上感光元件產生的訊號，並構成了一幅完整的畫面。此一特性，使得感光耦合元件通用在數位相機〈Digital Camera〉與掃描器〈Scanner〉上，作為目前最大宗之感光元件來源。
結構
CCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導體）電容器。它以P型（或N型）半導體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120 nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構成MOS電容轉移器件。這樣一個MOS結構稱為一個光敏元或一個像素。將MOS陣列加上輸入、輸出結構就構成了CCD器件。其結構圖如下，
工作原理
CCD主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉移、信號輸出。
輸入部分：將信號電荷引入到CCD的第一個轉移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。
在CCD柵極上施加按一定規律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱 用於存儲信號電荷，其深度同步於信號電壓變化，使阱內信號電荷沿半導體表面傳輸，最後從輸出二極體送出視頻信號。為了實現電荷的定向轉移，在CCD的 MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的循環結構。一位CCD中含的MOS個數即為CCD的像素。
光注入：用於攝像機。用光敏元件代替輸入二極體。當光照射CCD矽片時，在柵極附近的半導體體內產生電子—空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。
套用
視頻經透鏡成像於電容陣列表面後，依其亮度的強弱在每個電容單位上形成強弱不等的電荷。傳真機或掃瞄器用的線性CCD每次捕捉一細長條的光影，而數位相機或攝影機所用的平面式CCD則一次捕捉一整張視頻，或從中截取一塊方形的區域。一旦完成曝光的動作，控制電路會使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個單元，到達邊緣最後一個單元時，電信號傳入放大器，轉變成電位。如此周而復始，直到整個視頻都轉成電位，取樣並數位化之後存入存儲器。存儲的視頻可以傳送到印表機、存儲設備或顯示器。經冷凍的CCD同時在1990年代初亦廣泛套用於天文攝影與各種夜視設備，而各大型天文台亦不斷研發高像數CCD以拍攝極高解像之天體照片。
CCD在天文學方面有一種奇妙的套用方式，能使固定式的望遠鏡發揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致，速度也同步，以CCD導星不僅能使望遠鏡有效糾正追蹤誤差，還能使望遠鏡記錄到比原來更大的視場。
一般的CCD大多能感應紅外線，所以派生出紅外線視頻、夜視設備、零照度（或趨近零照度）攝影機/照相機等。因室溫下的物體會有紅外線的黑體輻射效應，為了減低紅外線干擾，天文用CCD常以液態氮或半導體冷卻。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備CCD的數位相機或錄影機若沒加裝紅外線濾鏡，很容易拍到遙控器發出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流，增進CCD在低照度的敏感度，甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升（信噪比提高）。
溫度噪聲、暗電流（dark current）和宇宙輻射都會影響CCD表面的像素。天文學家利用快門的開闔，讓CCD多次曝光，取其平均值以緩解干擾效應。為去除背景噪聲，要先在快門關閉時取視頻信號的平均值，即為“暗框”（dark frame）。然後打開快門，獲取視頻後減去暗框的值，再濾除系統噪聲（暗點和亮點等等），得到更清晰的細節。
天文攝影所用的冷卻CCD照相機必須以接環固定在成像位置，防止外來光線或震動影響；同時亦因為大多數視頻平台生來笨重，要拍攝星系、星雲等暗弱天體的視頻，天文學家利用“自動導星”技術。大多數的自動導星系統使用額外的不同軸CCD監測任何視頻的偏移，然而也有一些系統將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學設備把主鏡內部分星光加進相機內另一顆CCD導星設備，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差，並自動調整驅動馬達以矯正誤差而不需另外設備導星。
相互競爭的科技
近年來，利用互補金屬氧化物半導體的製程，已能製造實用的主動像素感測器（Active Pixel Sensor）。CMOS是所有矽晶片製作的主流技術，CMOS感光組件不但造價低廉，也能將信號處理電路集成在同一部設備上。CCD則有助於濾除背景噪聲，因為CMOS比CCD更容易受噪聲干擾。這部分的困擾現已漸漸解決，這要歸功於使用個別像素的低級放大器取代用於整片CCD陣列的單一高階放大器。CMOS感光組件跟CCD相比，耗電量較低，數據傳輸亦較快。於高解析度數字攝影機與數位相機，尤其是片幅規格較大的數字單眼相機更常見到CMOS的套用，另外消費型數位相機以及附有照相功能的手機亦開始使用背面照射式CMOS，使成像質量得以提升。CMOS於成像的技術日趨成熟下大幅普及，使CCD的占有率從2010年代起不斷下降，全球最大的CCD生產商索尼更宣布於2017年停止生產CCD，但是高級照片掃瞄器以及軍方器材仍然為CCD所壟斷。
