【導(dǎo)讀】伴隨著數(shù)碼相機(jī)、帶有攝像頭的手機(jī)等電子設(shè)備風(fēng)靡全球，人類已經(jīng)進(jìn)入了全民數(shù)碼影像的時(shí)代，每一個(gè)人都可以隨時(shí)、隨地、隨意地用影像記錄每一瞬間。而這些美好最功不可沒的當(dāng)屬CCD圖像傳感器啦。
CCD圖像傳感器（ChargedCoupLEDDevice）于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多年，從初期的10多萬像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的500萬像素。CCD又可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)（DSC）、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。
發(fā)明
伴隨著數(shù)碼相機(jī)、帶有攝像頭的手機(jī)等電子設(shè)備風(fēng)靡全球，人類已經(jīng)進(jìn)入了全民數(shù)碼影像的時(shí)代，每一個(gè)人都可以隨時(shí)、隨地、隨意地用影像記錄每一瞬間。帶領(lǐng)我們進(jìn)入如此五彩斑斕世界的，就是美國(guó)科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發(fā)明的CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器。
百多年來，伴隨著暗箱、鏡頭和感光材料制作不斷取得突破，以及精密機(jī)械、化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，照相機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，使用越來越方便。但是，直到幾十年前，人們依然只能將影像記錄在膠片上。拍攝影像慢慢普及，但即時(shí)欣賞、分享、傳遞影像還非常困難。1969年，博伊爾和史密斯極富創(chuàng)意地發(fā)明了一種半導(dǎo)體裝置，可以把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這一裝置，就是CCD圖像傳感器。
發(fā)展歷程
CCD圖像傳感器的發(fā)明，實(shí)際上是應(yīng)用愛因斯坦有關(guān)光電效應(yīng)理論的結(jié)果，即光照射到某些物質(zhì)上，能夠引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。但是從理論到實(shí)踐，道路卻并不平坦。科學(xué)家遇到的最大挑戰(zhàn)，在于如何在很短的時(shí)間內(nèi)，將每一個(gè)點(diǎn)上因?yàn)楣庹斩a(chǎn)生改變的大量電信號(hào)采集并且辨別出來。經(jīng)過多次試驗(yàn)，博伊爾和史密斯終于解決了上述難題。他們采用一種高感光度的半導(dǎo)體材料，將光線照射導(dǎo)致的電信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，使得其高效存儲(chǔ)、編輯、傳輸都成為可能。簡(jiǎn)單地說，CCD圖像傳感器就像是膠片一樣，有了它，人們就再不用耗時(shí)費(fèi)力地去沖洗膠片了。
優(yōu)點(diǎn)
CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)用
CCD圖像傳感器除了大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)外，還廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)、掃描儀，以及工業(yè)領(lǐng)域等。此外，在醫(yī)學(xué)中為診斷疾病或進(jìn)行顯微手術(shù)等而對(duì)人體內(nèi)部進(jìn)行的拍攝中，也大量應(yīng)用了CCD圖像傳感器及相關(guān)設(shè)備。
CCD是數(shù)碼相機(jī)的電子眼，它革新了攝影術(shù)，光可以被電子化地記錄下來，取代了膠片。這一數(shù)字形式極大地方便了對(duì)圖像的處理和發(fā)送，”諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)稱贊說，“無論是我們大海中深邃之地，還是宇宙中的遙遠(yuǎn)之處，它都能給我們帶來水晶般清晰的影像。”
市場(chǎng)
CCD圖像傳感器已成為攝錄一體機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和多媒體系統(tǒng)的核心部件。
在世界已進(jìn)入信息時(shí)代的今天，以數(shù)字化、計(jì)算機(jī)、通訊、電視和多媒體為主要特征的信息革命正在興起。作為視覺傳感器的CCD攝像器件，在光電圖像信息獲取與處理中起著極其重要的作用。CCD圖像傳感器的市場(chǎng)十分廣闊，前景十分看好。
CCD圖像傳感器經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)了商品化。CCD圖像傳感器從最初簡(jiǎn)單的8像元移位寄存器發(fā)展至今，已具有數(shù)百萬至上千萬像元。由于CCD圖像傳感器具有很大的潛在市場(chǎng)和廣闊的應(yīng)用前景，因此，國(guó)際上在這方面的研究工作進(jìn)行得相當(dāng)活躍，美國(guó)、日本、英國(guó)、荷蘭、德國(guó)、加拿大、俄羅斯、南韓等國(guó)家均投入了大量的人力、物力和財(cái)力，并在CCD圖像傳感器的研究和應(yīng)用方面取得了令人矚目的成果。美國(guó)和日本的器件和整機(jī)系統(tǒng)已進(jìn)入了商品化階段。
中國(guó)研制
中國(guó)CCD圖像傳感器的研制工作也在穩(wěn)步地進(jìn)行。第一代普通線陣CCD圖像傳感器（光敏元為MOS結(jié)構(gòu)）和第二代對(duì)藍(lán)光響應(yīng)特性好的（光敏元為光電二極管陣列）CCPD均已形成128、256、512、1024、1728、2048、2500像元的系列產(chǎn)品，在實(shí)驗(yàn)室已做出了3456、4096像元的CCPD樣品；面陣CCD圖像傳感器已研制出32×32、75×100、108×108、150×150、320×230、256×320、512×320、491×384、580×394、512×512、600×500、756×581、800×800像元器件。在實(shí)驗(yàn)室已研制出了1024×1024，2048×2048像元的器件，基本上形成了系列化產(chǎn)品。隨著器件性能的改進(jìn)，CCD攝像機(jī)也將得到迅速發(fā)展。
除可見光CCD圖像傳感器外，中國(guó)還研制出了線陣64、128、256、1024像元和面陣32×64、128×128、256×256像元硅化鉑肖特基勢(shì)壘紅外CCD（Ptsi桽BIRCCD）。中國(guó)正在研制和開發(fā)的CCD有：512×512像元X射線CCD、512×512像元光纖面板耦合CCD像敏器件、512×512像元幀轉(zhuǎn)移可見光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024像元X射線CCD、512×512像元PtSi桽BIRCCD、微光CCD和多光譜紅外CCD等。但由于受經(jīng)費(fèi)、設(shè)備等因素影響，中國(guó)CCD圖像傳感器的研究進(jìn)展尚不夠迅速，還沒有生產(chǎn)能力，與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距很大。就CCD的應(yīng)用潛力而言，也最多不過發(fā)揮了1%左右。據(jù)悉，信息產(chǎn)業(yè)部下屬研究所已從美國(guó)和俄羅斯引進(jìn)可見光和紅外CCD芯片生產(chǎn)線并開展試驗(yàn)工作，這將大大促進(jìn)中國(guó)CCD芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
