感光耦合組件

感光耦合組件又稱電荷耦合器件（英語：Charge-coupled Device，縮寫：CCD），是一種積體電路，上有許多排列整齊的電容，能感應光線，並將視頻轉變成數位訊號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。CCD廣泛套用在數字攝影、天文學，尤其是光學遙測技術（photometry）、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術如幸運成像。

基本介紹

• 中文名：感光耦合組件
• 外文名：Charge-coupled Device
• 所屬學科：光學遙感
• 縮寫：CCD

發展史

CCD是於1969年由美國貝爾實驗室的威拉德·博伊爾（Willard Sterling Boyle）和喬治·史密斯（George Elwood Smith）所發明的。當時貝爾實驗室正在發展視頻電話和半導體氣泡式存儲器。將這兩種新技術結起來後，博伊爾和史密斯得出一種設備，他們命名為“電荷‘氣泡’組件”（Charge "Bubble" Devices）。這種設備的特性就是它能沿著一片半導體的表面傳遞電荷，便嘗試用來做為記憶設備，當時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發現光電效應能使此種組件表面產生電荷，而組成數字圖像。

1971年，貝爾實驗室的研究員已能用簡單的線性設備捕捉視頻，CCD就此誕生。有幾家公司接續此一發明，著手進行進一步的研究，包括飛兆半導體、美國無線電公司和德州儀器。其中飛兆半導體的產品率先上市，於1974年發表500單元的線性設備和100x100像素的平面設備。

2006年元月，博伊爾和史密斯獲頒電機電子工程師學會頒發的Charles Stark Draper獎章，以表彰他們對CCD發展的貢獻。2009年10月兩人榮獲諾貝爾物理獎。

原理

在柵電極（G）中，施加正電壓會產生勢阱（黃），並把電荷包（電子，藍）收集於其中。只需按正確的順序施加正電壓，就可以傳導電荷包。

在一個用於感光的CCD中，有一個光敏區域（矽的外延層），和一個由移位暫存器製成的感測區域（狹義上的CCD）。

圖像通過透鏡投影在一列電容上（光敏區域），導致每一個電容都積累一定的電荷，而電荷的數量則正比於該處的入射光強。用於線掃描相機的一維電容陣列，每次可以掃描一單層的電容；而用於攝像機和一般相機的二維電容陣列，則可以掃描投射在焦平面上的圖像。一旦電容陣列曝光，一個控制迴路將會使每個電容把自己的電荷傳給相鄰的下一個電容（感測區域）。而陣列中最後一個電容里的電荷，則將傳給一個電荷放大器，並被轉化為電壓信號。通過重複這個過程，控制迴路可以把整個陣列中的電荷轉化為一系列的電壓信號。在數字電路中，會將這些信號採樣、數位化，通常會存儲起來；而在模擬電路中，會將它們處理成一個連續的模擬信號（例如把電荷放大器的輸出信號輸給一個低通濾波器）。

套用

含格狀排列像素的CCD套用於數字相機、光學掃瞄器與攝影機的感光組件。其光效率可達70%（能捕捉到70%的入射光），優於傳統軟片的2%，因此CCD迅速獲得天文學家的大量採用。

使用CCD的Webcam(鏡頭)傳真機所用的線性CCD

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，而數字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的數字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。