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CCD (电荷耦合元件)

电荷耦合元件(CCD,Charge-coupled Device)是一种积体电路,上有许多排列整齐的电容,能感应光线,并将影像转变成数字讯号。经由外部电路的控制,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数位摄影、天文学,尤其是光学遥测技术(Photometry)、光学与频谱望远镜,和高速摄影技术如幸运成像。

CCD是于1969年由美国贝尔实验室(Bell Labs)的威拉德·博伊尔(Willard Boyle)和乔治·史密斯(George E. Smith)所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式记忆体。将这两种新技术结起来后,博伊尔和史密斯得出一种装置,他们命名为“电荷‘气泡’元件”(Charge "Bubble" Devices)。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷,便尝试用来做为记忆装置,当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷,而组成数位影像。

1971年,贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像,CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明,着手进行进一步的研究,包括快捷半导体(Fairchild Semiconductor)、美国无线电公司(RCA)和德州仪器(Texas Instruments)。其中快捷半导体的产品率先上市,于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

2006年元月,博伊尔和史密斯获颁电机电子工程师学会(IEEE)颁发的Charles Stark Draper奖章,以表彰他们对CCD发展的贡献。2009年10月两人荣获诺贝尔物理奖。

含格状排列像素的CCD应用于数位相机、光学扫瞄器与摄影机的感光元件。其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光),优于传统软片的2%,因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

影像经透镜成像于电容阵列表面后,依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄器用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影,而数位相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像,或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作,控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元,到达边缘最后一个单元时,电信号传入放大器,转变成电位。如此周着复始,直到整个影像都转成电位,取样并数字化之后存入记忆体。储存的影像可以传送到印表机、储存设备或显示器。经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置,而各大型天文台亦不断研发高像数CCD以拍摄极高解像之天体照片。

CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式,能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体执行方向一致,速度也同步,以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差,还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

一般的CCD大多能感应红外线,所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰,天文用CCD常以液态氮或半导体冷却,因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应,各种配备CCD的数位相机或录影机若没加装红外线滤镜,很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流,增进CCD在低照度的敏感度,甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升(信噪比提高)。

温度杂讯、暗电流(dark current)和宇宙辐射都会影响CCD表面的像素。天文学家利用快门的开阖,让CCD多次曝光,取其平均值以缓解干扰效应。为去除背景杂讯,要先在快门关闭时取影像讯号的平均值,即为“暗框”(dark frame)。然后打开快门,取得影像后减去暗框的值,再滤除系统杂讯(暗点和亮点等等),得到更清晰的细节。

天文摄影所用的冷却CCD照相机必须以接环固定在成像位置,防止外来光线或震动影响;同时亦因为大多数影像平台生来笨重,要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像,天文学家利用“自动导星”技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同轴CCD监测任何影像的偏移,然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之CCD相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星装置,能迅速侦测追踪天体时的微小误差,并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。

一般的彩色数位相机是将拜尔滤镜(Bayer filter)加装在CCD上。每四个像素形成一个单元,一个负责过滤红色、一个过滤蓝色,两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号,但色彩解析度不如感光解析度。

用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好,分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光,由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机,和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。

截至2005年,超高解析度的CCD晶片仍相当昂贵,配备3CCD的高解析静态照相机,其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜,兼顾高解析度与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。

近年来,利用互补金氧半导体(CMOS)的制程,已能制造实用的主动像素感测器(Active Pixel Sensor)。CMOS是所有矽晶片制作的主流技术,CMOS感光元件不但造价低廉,也能将讯号处理电路整合在同一部装置上。后一特性有助于滤除背景杂讯,因为CMOS比CCD更容易受杂讯干扰。这部份的困扰现时已渐渐解决,这要归功于使用个别像素的低阶放大器取代用于整片CCD阵列的单一高阶放大器。CMOS感光元件跟CCD相比,耗电量较低,数据传输亦较快。于高解析度数位摄影机与数位相机,尤其是片幅规格较大的数位单眼相机更常见到CMOS的应用,另外消费型数位相机亦开始使用背面照射式CMOS,使成像得以提升。

CCD的发明,令威拉德·博伊尔和乔治·史密斯与发明光纤的高锟分享2009年诺贝尔奖。诺贝尔奖评审委员会称,三人的发明有助于建立今日网路世界的基础,为今日的日常生活创立许多革新,也为科学的开拓上提供了工具。

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