CCD影像儀的重要組成部分

CCD是于1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉·波義耳）和喬治·史密斯（George（Willard S. Boyle

E. Smith）所發(fā)明的。當時貝爾實驗室正在發(fā)展影像和半導體氣泡式內存。將這兩種新技術結合起來后，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?zhèn)鬟f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(fā)現(xiàn)光電效應能使此種元件表面產生電荷，而組成數(shù)位影像。　到了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(xù)此一發(fā)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上市，于1974年發(fā)表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。

以上為CCD發(fā)展歷程

1、HAD感測器

HAD（HOLE-ACCUMULATION DIODE）傳感器是在N型基板，P型，N+2極體的表面上，加上正孔蓄積層，這是SONY*的構造。由于設計了這層正孔蓄積層，可以使感測器表面常有的暗電流問題獲得解決。另外，在N型基板上設計電子可通過的垂直型隧道，使得開口率提高，換句換說，也提高了感度。在80年代初期，索尼將其使用在可變速電子快門產品中，在拍攝移動快速的物體也可獲得清晰的圖象。^[2]

2、ON-CHIP MICRO LENS

80年代后期，因為CCD中每一像素的縮小，將使得受光面積減少，感度也將變低。為改善這個問題，索尼在每一感光二極管前裝上微小鏡片，使用微小鏡片后，感光面積不再因為感測器的開口面積而決定，而是以微小鏡片的表面積來決定。所以在規(guī)格上提高了開口率，也使感亮度因此大幅提升。

3、SUPER HAD CCD

進入90年代后期以來，CCD的單位面積也越來越小，1989年開發(fā)的微小鏡片技術，已經無法再提升感亮度，如果將CCD組件內部放大器的放大倍率提升，將會使雜訊也被提高，畫質會受到明顯的影響。索尼在CCD技術的研發(fā)上又更進一步，將以前使用微小鏡片的技術改良，提升光利用率，開發(fā)將鏡片的形狀*化技術，即索尼 SUPER技術。基本上是以提升光利用效率來提升感亮度的設計，這也為日前的CCD基本技術奠定了基礎。 HAD CCD

4、NEW STRUCTURE CCD

在攝影機的光學鏡頭的光圈F值不斷的提升下，進入到攝影機內的斜光就越來越多，使得入射到CCD組件的光無法的被聚焦到感測器上，而CCD感測器的感度將會降低。1998年索尼公司為改善這個問題，將彩色濾光片和遮光膜之間再加上一層內部的鏡片。加上這層鏡片后可以改善內部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同時將硅基板和電極間的絕緣層薄膜化，讓會造成垂直CCD畫面雜訊的訊號不會進入，使SMEAR特性改善。

 

5、EXVIEW HAD CCD

比可視光波長更長的紅外線光，也可以在半導體硅芯片內做光電變換。可是至當前為止，CCD無法將這些光電變換后的電荷，以有效的方法收集到感測器內。為此，索尼在1998年新開發(fā)的“EXVIEW HAD CCD”技術就可以將以前未能有效利用的近紅外線光，有效轉換成為映像資料而用。使得可視光范圍擴充到紅外線，讓感亮度能大幅提高。利用“EXVIEW HAD CCD”組件時，在黑暗的環(huán)境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深層中做的光電變換時，會漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分，也可被收集到傳感器內，所以影響畫質的雜訊也會大幅降低^[3]。

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(fā)的Charles Stark Draper獎章，以表彰他們對CCD發(fā)展的貢獻。

北京時間2009年10月6日，2009年諾貝爾物理學獎揭曉，瑞典*科學院委員會宣布將該獎項授予一名中國科學家高錕）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?shù)拈_創(chuàng)性成就” 而獲獎，科學家因博伊爾和喬治-E-史密斯因“發(fā)明了成像半導體電路——電荷藕合器件圖像傳感器獲此殊榮。CCD” （Charles K. Kao香港諾貝爾獎

CCD圖像傳感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(shù)轉換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現(xiàn)。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩(wěn)定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；4.響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應用超大規(guī)模集成電路工藝技術生產，像素集成度高，尺寸，商品化生產成本低。因此，許多采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

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(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD芯片內部結構決定，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(qū)是MOS電容或光敏二極管結構，生產工藝相對較簡單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現(xiàn)實時控制，但獲取信息量小，不能處理復雜的圖像（線陣CCD如右圖所示）。面陣CCD的結構要復雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個方陣，并以一定的形式連接成一個器件，獲取信息量大，能處理復雜的圖像。

 *層“微型鏡頭”

    我們知道，數(shù)碼相機成像的關鍵是在于其感光層，為了擴展CCD的采光率，必須擴展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫質下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因為傳感器的開口面積而決 定，而改由微型鏡片的表面積來決定。

    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(yōu)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(jié)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(yè)中，CMYK更為適用，但其調節(jié)出來的顏色不及RGB的多。

    原色CCD的優(yōu)勢在于畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機，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分辨率，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

    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，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。