CCD的歷史和工作原理

電荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）歸屬于集成電路，排列整齊許多電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD廣泛應(yīng)用在數(shù)字?jǐn)z影、天文學(xué)，尤其是攝影測(cè)量學(xué)（photometry）、光學(xué)與頻譜望遠(yuǎn)鏡，和高速攝影技術(shù)如星云成像。

CCD技術(shù)發(fā)展史

CCD是于1969年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的威拉德·博伊爾（Willard Sterling Boyle）和喬治·史密斯（George Elwood Smith）所發(fā)明的。當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展影像電話和半導(dǎo)體氣泡式存儲(chǔ)器。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來(lái)后，博伊爾和史密斯得出一種設(shè)備，他們命名為“電荷‘氣泡’組件”（Charge "Bubble" Devices）。

這種設(shè)備的特性就是它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來(lái)作為記憶設(shè)備，當(dāng)時(shí)只能從寄存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種組件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)字圖像。

1971年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員已能用簡(jiǎn)單的線性設(shè)備捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續(xù)此發(fā)明，著手進(jìn)行研究，包括飛兆半導(dǎo)體、美國(guó)無(wú)線電公司和德州儀器。其中飛兆半導(dǎo)體的產(chǎn)品率先上市，于1974年發(fā)表500單元的線性設(shè)備和100x100像素的平面設(shè)備。

2006年元月，博伊爾和史密斯獲頒電機(jī)電子工程師學(xué)會(huì)頒發(fā)的Charles Stark Draper獎(jiǎng)?wù)?，以表彰他們?duì)CCD發(fā)展的貢獻(xiàn)。2009年10月兩人榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng)（和高錕同一屆拿到諾獎(jiǎng)）。

CCD的工作原理

在柵電極（G）中，施加正電壓會(huì)產(chǎn)生勢(shì)阱（黃），并把電荷包（電子，藍(lán)）收集于其中。只需按正確的順序施加正電壓，就可以傳導(dǎo)電荷包。
在一個(gè)用于感光的CCD中，有一個(gè)光敏區(qū)域（硅的外延層），和一個(gè)由移位寄存器制成的傳感區(qū)域（狹義上的CCD）。


圖像通過(guò)透鏡投影在一列電容上（光敏區(qū)域），導(dǎo)致每一個(gè)電容都積累一定的電荷，而電荷的數(shù)量則正比于該處的入射光強(qiáng)。用于線掃描相機(jī)的一維電容陣列，每次可以掃描一單層的電容；而用于攝像機(jī)和一般相機(jī)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(gè)控制回路將會(huì)使每個(gè)電容把自己的電荷傳給相鄰的下一個(gè)電容（傳感區(qū)域）。而陣列中最后一個(gè)電容里的電荷，則將傳給一個(gè)電荷放大器，并被轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。通過(guò)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，控制回路可以把整個(gè)陣列中的電荷轉(zhuǎn)化為一系列的電壓信號(hào)。在數(shù)字電路中，會(huì)將這些信號(hào)采樣、數(shù)字化，通常會(huì)存儲(chǔ)起來(lái)；而在模擬電路中，會(huì)將它們處理成一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)（例如把電荷放大器的輸出信號(hào)輸給一個(gè)低通濾波器）。

CCD的CMOS技術(shù)的對(duì)比。

審核編輯 ：李倩