CCD感光元件

CCD感光元件，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像感測器。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數位訊號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面解析度也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數位訊號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線，並將影像轉變成數位訊號。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。

基本介紹

• 中文名：CCD感光元件
• 外文名：Charge-coupled Device
• 中文全稱：電荷耦合元件
• 又稱：CCD圖像感測器

器件簡介

CCD感測器又叫電荷耦合器，它是一種特殊的半導體材料，由大量獨立的感光二極體組成，一般按照矩陣形式排列。目前，CCD的種類有很多，其中面陣型CCD是主要套用在數位相機中。它是由許多單個感光二極體組成的陣列，整體呈正方形，然後像砌磚一樣將這些感光二極體砌成陣列來組成可以輸出一定解析度圖像的CCD感測器。從功能上來說，CCD感光元件在某種程度的相當於傳統相機的膠捲。從消費者選擇的角度來說，CCD感光元件當然是越大越好。相信很多消費者在國貨品牌中看到過CMOS這個名詞的，其實它也是一種感光元件，只不過在成本上要明顯低於CCD，在功耗方面也小於CCD，但在噪點的控制和成像質量方面不如CCD（這裡只是指尺寸比較小的CMOS感光元件），所以只在低端數位相機以及攝像頭設計上普遍使用。另外，關於SuperCCD，它是富士獨創的一項CCD技術，它與普通型CCD最大的不同在於，它改變了矩陣CCD四個原色點合成一個象素點的原理，八邊形幾何構造和間斷排列，使蜂窩狀的感光單元能更好的利用了CCD表面空間，在象素相等的情況下獲得了更多的信息量。目前幾乎全線富士產品都採用了這一感光元件，而且反映明顯比以前要好，特別是高達1600的ISO感光度設計，博得消費者一致好評。

一億像素CCD誕生

發展史

1969年

CCD是於1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉·波義耳(Willard S. Boyle)和喬治·史密斯（George E. Smith）所發明的。當時貝爾實驗室正在發展影像電話和半導體氣泡式記憶體。將這兩種新技術結合起來後，波義耳和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷‘氣泡’元件”（Charge "Bubble"Devices）。這種裝置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裝置，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元件表面產生電荷，而組成數位影像。

CCD

70年代

貝爾實驗室的研究員已經能用簡單的線性裝置捕捉影像，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，包括快捷半導體（Fairchild Semiconductor）、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）。其中快捷半導體的產品率先上市，於1974年發表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。

2006年元月

波義耳和史密斯獲頒電機電子工程師學會（IEEE）頒發的Charles Stark Draper獎章，以表彰他們對CCD發展的貢獻。

2009年10月6日

2009年諾貝爾物理學獎揭曉，瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會宣布將該獎項授予一名中國香港科學家高錕(Charles K. Kao)和兩名科學家維拉·博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治·史密斯（George E. Smith）。科學家Charles K. Kao 因為“在光學通信領域中光的傳輸的開創性成就” 而獲獎，科學家因博伊爾和喬治-E-史密斯因“發明了成像半導體電路——電荷藕合器件圖像感測器CCD” 獲此殊榮。

套用

CCD廣泛套用在數碼攝影、天文學，尤其是光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術如Lucky imaging。CCD在攝像機、數位相機和掃瞄器中套用廣泛，只不過攝像機中使用的是點陣CCD，即包括x、y兩個方向用於攝取平面圖像，而掃瞄器中使用的是線性CCD，它只有x一個方向，y方向掃描由掃瞄器的機械裝置來完成。

CCD的加工工藝有兩種，一種是TTL工藝，一種是CMOS工藝，前者是毫安級的耗電量，而後者是微安級的耗電量。TTL工藝下的CCD成像質量要優於CMOS工藝下的CCD。CCD廣泛用於工業，醫療、民用產品。

四十年來，CCD器件及其套用技術的研究取得了驚人的進展，特別是在圖像感測和非接觸測量領域的發展更為迅速。隨著CCD技術和理論的不斷發展，CCD技術套用的廣度與深度必將越來越大。CCD是使用一種高感光度的半導體材料集成，它能夠根據照射在其面上的光線產生相應的電荷信號，在通過模數轉換器晶片轉換成“0”或“1”的數位訊號，這種數位訊號經過壓縮和程式排列後，可由閃速存儲器或硬碟卡保存即收光信號轉換成計算機能識別的電子圖像信號，可對被測物體進行準確的測量、分析。

含格狀排列像素的CCD套用於數位相機、光學掃瞄儀與攝影機的感光元件。其光效率可達70%(能捕捉到70%的入射光)，優於傳統菲林（底片）的2%，因此CCD迅速獲得天文學家的大量採用。

功能特性

CCD圖像感測器可直接將光學信號轉換為模擬電流信號,電流信號經過放大和模數轉換,實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗衝擊與震動，性能穩定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態範圍大；4.回響速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.套用超大規模積體電路工藝技術生產，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產成本低。因此，許多採用光學方法測量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。

工作原理

CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內部電極分成數組，每組稱為一相，並施加同樣的時鐘脈衝。所需相數由CCD晶片內部結構決定，結構相異的CCD可滿足不同場合的使用要求。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分，其光敏區是MOS電容或光敏二極體結構，生產工藝相對較簡單。它由光敏區陣列與移位暫存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現實時控制，但獲取信息量小，不能處理複雜的圖像。面陣CCD的結構要複雜得多，它由很多光敏區排列成一個方陣，並以一定的形式連線成一個器件，獲取信息量大，能處理複雜的圖像。

傳真機套用

傳真機所用的線性CCD影像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。傳真機或掃瞄儀用的線性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則一次捕捉一整張影像，或從中擷取一塊方形的區域。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，電荷訊號傳入放大器，轉變成電位。如此周著復始，直到整個影像都轉成電位，取樣並數位化之後存入記憶體。儲存的影像可以傳送到印表機、儲存設備或顯示器。

數位相機套用

在數位相機領域，CCD的套用更是異彩紛呈。一般的彩色數位相機是將拜爾濾鏡（ Bayer filter ）加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結果每個像素都接收到感光訊號，但色彩解析度不如感光解析度。

用三片CCD和分光稜鏡組成的3CCD系統能將顏色分得更好，分光稜鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光，由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業級數位攝影機，和一部份的半專業級數位攝影機採用3CCD技術。目前，超高解析度的CCD晶片仍相當昂貴，配備3CCD的高解析靜態照相機，其價位往往超出許多專業攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡，兼顧高解析度與忠實的色彩呈現。這類多次成像的照相機只能用於拍攝靜態物品。

天文套用

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裝置，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，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度(或趨近零照度)攝影機/照相機等。為了減低紅外線干擾，天文用CCD常以液態氮或半導體冷卻，因室溫下的物體會有紅外線的黑體輻射效應。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影像訊號的平均值，即為"暗框"(dark frame)。然後打開快門，取得影像後減去暗框的值，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；同時亦因為大多數影像平台生來笨重，要拍攝星系、星雲等暗弱天體的影像，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監測任何影像的偏移，然而也有一些系統將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學裝置把主鏡內部份星光加進相機內另一顆CCD導星裝置，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裝置導星。

攝影結構

第一層微型鏡頭

我們知道，數位相機成像的關鍵是在於其感光層，為了擴展CCD的採光率，必須擴展單一像素的受光面積。但是提高採光率的辦法也容易使畫質下降。這一層“微型鏡頭”就等於在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因為感測器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。

第二層分色濾色片

CCD的第二層是“分色濾色片”，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個則是CMYK補色分色法這兩種方法各有優缺點。首先，我們先了解一下兩種分色法的概念，RGB即三原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識別的顏色，都可以通過紅、綠和藍來組成，而RGB三個字母分別就是Red, Green和Blue，這說明RGB分色法是通過這三個通道的顏色調節而成。再說CMYK，這是由四個通道的顏色配合而成，他們分別是青（C）、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業中，CMYK更為適用，但其調節出來的顏色不及RGB的多。原色CCD的優勢在於畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。因此，大家可以注意，一般採用原色CCD的數位相機，在ISO感光度上多半不會超過400。相對的，補色CCD多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細，但卻犧牲了部分影像的解析度，而在ISO值上，補色CCD可以容忍較高的感光度，一般都可設定在800以上

一億像素CCD

第三層感光層

CCD的第三層是“感光片”，這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號，並將信號傳送到影像處理晶片，將影像還原。

傳統的照相機膠捲尺寸為35mm，35mm為對角長度，35mm膠捲的感光面積為36 x 24mm。換算到數位相機，對角長度約接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。在單眼數位相機中，很多都擁有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼康的D100，CCD/CMOS尺寸面積達到23.7 x 15.6，比起消費級數位相機要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸為36 x 24mm，達到了35mm的面積，所以成像也相對較好。