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CCD相機(jī)（charge coupled devices camera，CCD camera ）是指以CCD（電荷耦合器件）作為感光元件的數(shù)碼相機(jī)。該相機(jī)以CCD芯片為核心，將自然界存在的物理圖像經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)化，變成電子視頻圖像信號(hào)。一般包括CCD傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路、接口電路、外殼及機(jī)械光學(xué)接口。

1969年10月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的威拉德·波伊爾和喬治·史密斯發(fā)明電CCD，二人因此工作獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自20世紀(jì)70年代后期開始廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)。1973年，快捷半導(dǎo)體（蘇州）有限公司把CCD技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，制造出第一只商用CCD成像器件。1981年以后，中國(guó)將CCD相機(jī)應(yīng)用于載人航天“921工程”“遙感12號(hào)”衛(wèi)星等。1990年，伊士曼柯達(dá)公司發(fā)布第一款CCD數(shù)碼相機(jī)DCS100。2008年后，CCD逐漸被CMOS取代。

CCD相機(jī)按照所使用的CCD器件不同可以分為線陣CCD相機(jī)和面陣CCD相機(jī)兩類。線陣CCD相機(jī)可以直接將接收到的一維光信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)序的電信號(hào)輸出，獲得一維的圖像信號(hào)。二維面陣CCD相機(jī)將一維線型CCD相機(jī)的光敏單元及移位寄存器按照一定的方式排列成二維陣列，可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂行袌?chǎng)同步的視頻信號(hào)輸出。

歷史沿革

研發(fā)背景

早期的計(jì)算機(jī)對(duì)圖形圖像的處理能力十分有限，且體積龐大。70年代，PC機(jī)的出現(xiàn)首先使辦公計(jì)算機(jī)小型化。然后，80年代初16位微型計(jì)算機(jī)普及和高速發(fā)展的序幕。短短的十幾年中，微型計(jì)算機(jī)在軟硬件的方方面面均有了極大的提高，價(jià)格一路下降，從而使計(jì)算機(jī)進(jìn)入家庭成為現(xiàn)實(shí)。也為照相機(jī)的數(shù)碼化提供了條件。

不過(guò)，由于CCD技術(shù)的不成熟及周邊軟件缺乏，也使數(shù)碼相機(jī)一度受阻。進(jìn)入90年代以后，美蘇冷戰(zhàn)結(jié)束，大量軍事方面的高科技開始轉(zhuǎn)入民用市場(chǎng)，數(shù)字圖像技術(shù)就是其中之一。另一方面，由于社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)圖像技術(shù)的局限性也就逐步顯現(xiàn)出來(lái)，諸如過(guò)分依賴膠卷導(dǎo)致拍攝次數(shù)受限、后期圖像處理困難，環(huán)境污染等等，這樣就產(chǎn)生了數(shù)字圖像的市場(chǎng)需求。

發(fā)展進(jìn)程

1969年10月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的威拉德·波伊爾和喬治·史密斯于發(fā)明電荷耦合器件（Charge-coupled Device， CCD），二人因此工作獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。CCD是一種在光電效應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體光電器件，自20世紀(jì)70年代后期開始廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)，相較照相底片和光電倍增管，它具有量子效率高、動(dòng)態(tài)范圍大、線性好等優(yōu)點(diǎn)。

在接下來(lái)的時(shí)間里，成百上千的科學(xué)家和工程師努力奮斗，逐步將CCD推向?qū)嵱没?a href="/hebeideji/7194720975168995343.html">美國(guó)的仙童(Fairchild)、柯達(dá)泰克(Tektronix)和德州儀器（Texas Instruments，TI），以及日本的夏普（Sharp）、索尼（索尼）、東芝(東芝)和日本電氣(日本電氣)等公司都作出了許多貢獻(xiàn)。航天、科學(xué)和消費(fèi)等方面的應(yīng)用，都得益于為解決CCD問(wèn)題而從不同渠道投入的經(jīng)費(fèi)，但是問(wèn)題還是很棘手，那是一條非常艱苦的發(fā)展之路。

1973年，快捷半導(dǎo)體（蘇州）有限公司把CCD技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，制造出第一只商用CCD成像器件，這開辟了CCD在工業(yè)領(lǐng)域的道路。80年代后期，CCD在大多數(shù)視頻應(yīng)用中取代了電子管。進(jìn)入90年代后，CCD應(yīng)用于分辨成像，廣泛應(yīng)用于專業(yè)電子照相、空間探測(cè)、X射線成像及其他科研領(lǐng)域。

1981年，薛鳴球調(diào)至中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所工作，將研究方向瞄準(zhǔn)空間光學(xué)，致力于中國(guó)新一代偵察衛(wèi)星光學(xué)遙感相機(jī)的研制，研究團(tuán)隊(duì)研制的多種空間電荷耦合器件(CCD)相機(jī)，應(yīng)用于載人航天“921工程”“遙感12號(hào)”衛(wèi)星等；1993年，創(chuàng)建了西安光機(jī)所空間光學(xué)研究室。

1990年，伊士曼柯達(dá)公司在德國(guó)科隆的Photokina展示會(huì)上展出了第一臺(tái)“便攜式”專業(yè)數(shù)碼相機(jī)DCS。次年，DCS正式上市，并被改名為DCS100。DCS100使用了一塊140萬(wàn)像素，面積為20. 5x16.4mm的CCD，等效焦距倍率為1.8。90年代早期，CCD還沒(méi)有能力生成高解析度的照片，柯達(dá)公司發(fā)布的全球首臺(tái)專業(yè)數(shù)碼照相機(jī)售價(jià)高達(dá)30000美元。1992年的1992年巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)上，它奉獻(xiàn)了13張照片。

1999年，中國(guó)研制成功“中巴地球資源衛(wèi)星”衛(wèi)星多光譜CCD相機(jī)，共研制兩臺(tái)。2002年，首發(fā)“海洋一號(hào)衛(wèi)星”多光譜CCD相機(jī)，填補(bǔ)中國(guó)海洋衛(wèi)星CCD相機(jī)的空白。

進(jìn)入21世紀(jì)，市場(chǎng)上200萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)基本趨于淘汰，300萬(wàn)和500萬(wàn)像素的領(lǐng)銜主角。CCD的像素不斷增加，有的甚至已達(dá)到四色，CCD相機(jī)的功能不斷被翻新，拍攝的圖像效果也就越來(lái)越接近于傳統(tǒng)相機(jī)。

變革不停

1998年，CMOS圖像傳感器（Complementary Metal-氧化物半導(dǎo)體 Image Sensor，CIS）誕生了。CMOS的光電信息轉(zhuǎn)換功能與CCD的基本相似，區(qū)別就在于這兩種傳感器的光電轉(zhuǎn)換后信息傳送的方式不同。CMOS具有讀取信息的方式簡(jiǎn)單、輸出信息速率快、耗電少(僅為CCD芯片的1/10左右)、體積小、重量輕、集成度高、價(jià)格低等特點(diǎn)。從2008年開始，各大廠商都開始逐漸把背照式CMOS使用在不同的數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品上。從此，CMOS圖像傳感器迅速發(fā)展。CCD逐漸被CMOS取代。

分類

CCD相機(jī)按照色彩可分為黑白相機(jī)和彩色相機(jī)；按照輸出信號(hào)可分為模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)；按照靈敏度可分為普通靈敏度相機(jī)、高靈敏度相機(jī)（月光型和星光型）、紅外相機(jī)；按照分辨率可分為普通分辨率相機(jī)和高分辨率相機(jī)；按照CCD芯片類型可分為線陣CCD相機(jī)和面陣CCD相機(jī)；按照CCD光敏面尺寸可分為1/4.1/3、1/2.1 英寸等相機(jī)；按照制冷形式可分為制冷相機(jī)和非制冷相機(jī)；按照掃描形式可分為逐行掃描相機(jī)和隔行掃描相機(jī)；按照輸出速度可分為低速相機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)速度相機(jī)高速相機(jī)；按照響應(yīng)光譜可分為可見(jiàn)光相機(jī)、紫外線相機(jī)、紅外線（近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外）相機(jī)。

按色彩劃分

CCD相機(jī)按照色彩可分為黑白相機(jī)和彩色相機(jī)。CCD信號(hào)在監(jiān)視器上直接進(jìn)行顯示，光斑的分布情況用彩色CCD可以直觀反映出來(lái)，由于彩色CCD的三色合成，其采集到的光斑有明顯的干涉條紋，破壞了光斑圖像。黑白CCD相機(jī)由于不存在三色合成問(wèn)題，從而避免了圖像傳感器表面的干涉現(xiàn)象。通常用最低環(huán)境照度要求來(lái)表明CCD相機(jī)的靈敏度，黑白CCD相機(jī)的靈敏度大約是0.02 ~0.5勒克斯 ( 勒克斯)，彩色CCD相機(jī)多在1Lux以上。

像素排列方式

CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列。在P型或N型硅襯底上生長(zhǎng)一層很薄（約120nm）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極），形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。按照像素排列方式的不同，可以將CCD分為線陣和面陣兩大類。

線陣CCD

線陣CCD每次掃描一條線，為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號(hào)，就必須用掃描的方法實(shí)現(xiàn)。線陣CCD又分為單溝道線陣CCD和雙溝道線陣CCD。

面陣CCD

按照一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及移位寄作器排列成二維陣列。就可以構(gòu)成二維面陣CCD。面陣CCD同時(shí)曝光整個(gè)圖像。

幀轉(zhuǎn)移面陣CCD——優(yōu)點(diǎn)：電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，感光區(qū)面積可以很小。缺點(diǎn)：需要面積較大暫存區(qū)。

隔列轉(zhuǎn)移面陣CCD——優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)移效率大大提高。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

主要參數(shù)

以上參考

原理及應(yīng)用

CCD原理

CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel)。像素?cái)?shù)越高，面積越大，成像質(zhì)量就越高越清晰。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線、儲(chǔ)存信號(hào)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)給相鄰的圖像處理器來(lái)形成圖像。MOS電容器是構(gòu)成CCD的最基本單元，它是金屬—氧化物—半導(dǎo)體（MOS）器件中結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的。

工作過(guò)程

CCD相機(jī)以CCD芯片為核心，將自然界存在的物理圖像經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)化，變成電子視頻圖像信號(hào)。CCD的全稱是Charge Coupled Device，即電荷耦合器件，是一種感光元件。它能將收集到的光線，以電信號(hào)的形式儲(chǔ)存在相機(jī)之內(nèi)，然后再通過(guò)相機(jī)內(nèi)的其他元件轉(zhuǎn)譯為圖片格式。CCD的工作過(guò)程主要包括：電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉(zhuǎn)移和電荷包測(cè)量。光子入射到CCD上激發(fā)光電子，光電子被收集在一起形成電荷包，電荷包依次從一個(gè)像素轉(zhuǎn)移到另一個(gè)像素，最終傳輸?shù)捷敵龆耍瓿蓪?duì)電荷包的測(cè)量。

信號(hào)電荷的注入（產(chǎn)生）

在CCD中，電荷注入的方式可分為光注入和電注入兩類。當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，多數(shù)載流子被柵極電壓排斥，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。

電注入就是CCD通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，然后將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷注入到相應(yīng)的勢(shì)阱中。電注入常用的有電流注入和電壓注入兩種方式。

信號(hào)電荷的存儲(chǔ)

CCD工作過(guò)程的第二步是信號(hào)電荷的收集，就是將入射光子激勵(lì)出的電荷收集起來(lái)成為信號(hào)電荷包的過(guò)程。當(dāng)向SiO表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢(shì)阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)，形成電荷包（勢(shì)阱）。對(duì)于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。

信號(hào)電荷的傳輸（耦合）

CCD工作過(guò)程的第三步是信號(hào)電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來(lái)的電荷包從一個(gè)像元轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像元，直到全部電荷包輸出完成的過(guò)程。

信號(hào)電荷的檢測(cè)

CCD工作過(guò)程的第四步是電荷的檢測(cè)，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級(jí)的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過(guò)程。其中電荷輸出類型，主要有三種：電流輸出、浮置柵放大器輸出和浮置擴(kuò)散放大器輸出。

應(yīng)用領(lǐng)域

CCD種類有很多，天文觀測(cè)中常用的有全幀CCD (Full-Frame CCD， FFCCD)，電子倍增CCD (Electron-Multiplying CCD， EMCCD)等。全幀CCD具有高密度像素陣列，能夠產(chǎn)生高分辨率的數(shù)字圖像。全幀CCD在讀取時(shí)，積累的電荷必須首先垂直轉(zhuǎn)移到下一行，由串行讀出寄存器水平讀出每個(gè)像素，重復(fù)上述步驟，直至全部轉(zhuǎn)移完畢，這稱為“逐行掃描”，由于全幀CCD所有像素都參與感光，因此在電荷傳輸時(shí)，這些像素將被用于處理電荷傳輸而不能繼續(xù)捕捉新的影像。這時(shí)如果探測(cè)器繼續(xù)接受光線，就會(huì)影響成像質(zhì)量，所以全幀CCD需要配備機(jī)械快門，用于探測(cè)器讀出過(guò)程中遮擋入射光。機(jī)械快門的缺點(diǎn)是存在快門效應(yīng)、故障率高、使用壽命有限等。

CCD相機(jī)可以隨時(shí)、方便的捕捉圖像，成像清晰度極佳，特別是對(duì)微光狀態(tài)下的成像支持多重合并像素模式，創(chuàng)新的讀出技術(shù)能夠充分降低噪聲，達(dá)到一個(gè)更高的靈敏度和轉(zhuǎn)化效果，使得圖像具有極高的信噪比，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。

在落彈占交匯測(cè)量中，可以使用雙CCD相機(jī)進(jìn)行交匯測(cè)量。還可以通過(guò)天文軟件控制望遠(yuǎn)鏡或CCD相機(jī)進(jìn)行天文觀測(cè)。

研發(fā)意義及影響

CCD的發(fā)明具有劃時(shí)代的意義，它的出現(xiàn)使得人類捕捉信息達(dá)85%的眼睛這個(gè)重要器官得到了極大擴(kuò)展與延申。促進(jìn)CCD快速發(fā)展主要有三個(gè)因素：首先，CCD的尺寸小，重量輕，消耗功率少，超低噪聲，動(dòng)態(tài)范圍較大，線性良好，可靠，耐用。第二，這種器件在形狀、快速、外形質(zhì)量和成本方面能與真空管抗衡。第三，空間成像應(yīng)用需要新的探測(cè)器。市場(chǎng)應(yīng)用的結(jié)果證明CCD是科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大技術(shù)變革。它在被忽視數(shù)十年之后，能獲得2009年的諾貝爾獎(jiǎng)可謂實(shí)至名歸。