[ac111]

請問各位前輩知不知道 ccd 的歷史和原理？ 小弟是用來跟展翅高飛師兄做功課的， 各位盡心盡力的回答， 小弟感激不盡！

[展翅高飛]

我是ac111 的group member, 希望各位高擡貴手，幫幫忙！

[maximilianyuen]

CCD的歷史

圖像傳感器-是一種使用半導體硅製作用來捕捉圖像（光線）並把它們轉換成電信號的一種設備。毫不誇張的說，它是數碼相機的心臟。同樣也用於掃瞄儀和科學、軍事、天文及醫學上的應用。此外它的電信號還需要經過一次轉換，它必須傳輸和轉換電壓使它具有標準的電平以適合被採樣成數字信號。完成這一切是一個複雜的的工程，它需要很高的微電子技術。最基礎的圖像傳感器產生於60到70年的早期，它成為可視電子組件的一個組成部分，就好像一把鑰匙一樣。

圖像傳感器的發展得益於很多事件，在冷戰期間，美國需要用間諜衛星來監視前蘇聯，在1960的需要發明一種更好的方法用於監視。最機密的 CIA / US Air Force Corona spy satellite program被啟動了，它們的間諜衛星被裝上了一種state-of-the-art KH-series的相機，它採用了一種超長焦的鏡頭和一種全新的塑料膠片。為了校準相片，使它銳利度達到在太空拍攝的標準，這台相機被秘密移到了美國中西部地區。當衛星上的膠片筒裝滿後，膠片被裝在一個陶瓷容器（可以抗高溫）裡被丟回到地球上的夏威夷群島附近海域。隨後它們被空軍的C-119找回（C-119代號"Flying Boxcars"）。假如回收器的方位丟失了，就要通過海軍來找回它們。如果兩天後還找不到，它們的封口就會被溶解，而沉入海底。這樣可以防止容器落入敵人之手。儘管偶然會失敗，但是間諜衛星還是一種非常安全的偵察手段。至於1960年的U-2高空偵察機在這裡就不提了。

進入模擬時代

第二代的間諜衛星技術直接在衛星上面進行影像相關的處理，它採用了一種光柵掃瞄器，把影像轉換成光線波長信號，這樣在地球上就可以直接接收這些信號。在地面再把這些波長信號轉換成圖像文件。至於政府什麼時候把間諜衛星上的模擬技術轉換成數字技術就不得而知了，這還是一個機密，可能是在1970年的什麼時候。

數字攝影技術的出現，是在1960年，科學家發現CMOS-互補金屬氧化物半導體具有感光性。而CCD-電荷耦合器件直到1969年才由Bell實驗室的Dr. William S. Boyle和Dr. George E. Smith發明。CCD的出現很快就使CMOS傳感器黯然失色，因為CCD比CMOS傳感器更加的敏感，如果用於衛星的話，可以拍攝到更多的地球表面細節。



這是一款SLR數碼相機，原來裝膠卷的地方已經被一片CCD所替代



各種不同尺寸的CCD

對於數碼相機來說，無論是基於CCD還是CMOS傳感器，隨著時間的發展它們都成為兩個不同的技術流派，它們之間主要的差別在於這兩種傳感器的信號傳輸方式，COMS把很多功能都集成在了芯片上，例如放大器。這兩種技術都是在內存技術的研發中成長起來的。

1966年，Bell實驗室研究一種新的內存系統（bubble memory），希望能開發出新的非易失性的內存技術（類似於現在的閃存技術），在開發bubble memory中得到了靈感，Bell實驗室繼續實驗一種串行輸出內存系統，就像是電可擦寫閃存（EEPROM）。CCD memory要以說是這次研發的一個副產品。1973年生產了第一個商業用途的CCD圖像傳感器，這都得益於低功耗和通用的關導體工藝的發展。CMOS結構被應用於內存、處理器和其它電子產品，最初的雙極型關導體技術由於體積和功耗都很大，而逐漸被丟棄，目前工藝和技術也解決了CMOS速度慢的缺點，可以說CMOS構成了現在的半導體基礎。下面就要討論一下兩種技術之間的主要區別，隨著新技術的出現，這兩種傳感器都有新的發展。

CCD是一個獨立的芯片，僅僅用於圖像的捕捉，它只有少數的專業工廠(fabs)才能生產，目前擁有這種技術的只有Sony；Philps；Kodak；Matsushita；Fuji和Sharp幾家。然而CMOS可以應用在很多設備上，例如電腦上的CPU和絕大多數的消費類電子產品。CMOS遵循標準的製造工藝，因此CMOS傳感器的成本要遠遠低於CCD，複雜度也低很多，大多數的半導體工廠都有能力生產。



從其它因素來看，CMOS傳感器更加的高效，因為CMOS架構能夠在同一塊芯片上嵌入圖像處理功能和模數傳換電路(ADC)。如果數碼相機或者是其它的設備使用CMOS來代替CCD傳感器可以大幅降低成本，CMOS數碼相機可以使用更小的線路板和更少的元器件，所有這一切，都可以做在一塊手指甲蓋大小的芯片上。但是，當圖像品質很重要的場合，CCD仍然是首選，CCD對光線更加的敏感，更好的"音調"，音調只是一個比方，在這裡指它的動態範圍，此外CCD具有更小的噪聲（噪聲表現為不必要的干擾像素）。CMOS傳感器也有了很重要的改進，它們改良了設計和製造工藝（更微小的晶體管），舉例來說新的製造工藝允許CMOS傳感器之間的金屬連接線更細，因此能提高它的有效感光面積（開口率），使硅能接收到更多的光子，因此能提高感光度，同樣更高的工藝也可以減少功耗。

到目前為止，採用CMOS傳感器的數碼相機還在努力接近標準的圖像品質。Canon的D30，建立在專業的SLR機身上，它證明了CMOS技術也可以和成熟的CCD技術媲美。可以預見在未來的幾年內CMOS傳感器會被應用在越來越多的消費類和半專業數碼相機上，而CCD仍然會佔據高端的數碼相機市場，好像Canon EOS-1D的就一個很好的例子。CCD的歷史就介紹到這吧，有機會再向大家介紹CCD的工作原理和未來的發展。

[maximilianyuen]

http://www.8080.net/html/200112/p2618263410.html

[maximilianyuen]

光電耦合元件
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(重定向自CCD)

一組用於紫外線影像處理用的CCD光電耦合元件 (CCD，Charge-coupled Device)是一種積體電路，上有許多排列整齊的電容，能感應光線，並將影像轉變成數位訊號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。CCD廣泛應用在數位攝影、天文學，尤其是photometry、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術如lucky imaging。


發展史
CCD是1969年，美國 AT&T 貝爾實驗室的維拉•波義耳(Willard Boyle)和喬治•史密斯(George E. Smith)所發明的。當時貝爾實驗室正在發展影像電話和半導體氣泡式記憶體。將這兩種新技術結起來後，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傳遞電荷，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。但隨即發現光電效應能使此種元件表面產生電荷，而組成數位影像。到了1970年代，貝爾實驗室的研究員已能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續此一發明，著手進行進一步的研究，包括Fairchild半導體、美國無線電公司(RCA)和德州儀器公司(TI)。其中Fairchild半導體的產品率先上市，於1974年發表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。

2006年元月，波義耳和史密斯獲頒美國國家工程學院頒發的Charles Stark Draper 獎章，以表彰他們對CCD發展的貢獻。

應用
含格狀排列像素的CCD應用於數碼相機、光學掃瞄器與攝影機的感光元件。其光效率可達70%(能捕捉到70%的入射光)，優於傳統感光膠片的2%，因此CCD迅速獲得天文學家的大量採用。


傳真機所用的線性CCD影像經透鏡成像於電容陣列表面後，依其亮度的強弱在每個電容單位上形成強弱不等的電荷。傳真機或掃瞄器用的線性CCD每次捕捉一細長條的光影，而數碼相機或攝影機所用的平面式CCD則一次捕捉一整張影像，或從中擷取一塊方形的區域。一旦完成曝光的動作，控制電路會使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個單元，到達邊緣最後一個單元時，電荷訊號傳入放大器，轉變成電位。如此周著復始，直到整個影像都轉成電位，取樣並數位化之後存入記憶體。儲存的影像可以傳送到打印機、儲存設備或顯示器。CCD同時也廣泛應用於天文望遠鏡，與各種夜視裝置。

CCD在天文學方面有一種奇妙的應用方式，能使固定式的望遠鏡發揮有如追蹤式望遠鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動的方向和天體運行方向一致，速度也同步，結果不但能持續追蹤某一天體的軌跡，還能使這台望遠鏡記錄到比原來更大的視野範圍。

一般的CCD大多能感應紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度(或趨近零照度)攝影機/照相機等。為了減低紅外線干擾，天文用CCD常以液態氮冷卻，因為室溫下的物體會有紅外線的黑體幅射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備CCD的數碼相機或錄影機若沒加裝紅外線濾鏡，很容易拍到遙控器發出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的陰暗電流，增進CCD在低照度的敏感度，甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升。

溫度雜訊、陰暗電流和宇宙輻射都會影響CCD表面的像素。天文學家利用快門的開闔，讓CCD多次曝光，取其平均值以對抗這些干擾效應。為了去除背景雜訊，要先在快門關閉時取影像訊號的平圴值，即為"暗框"(dark frame)。然後打開快門，取得影像後減去暗框的值，再濾除系統雜訊(暗點和亮點等等)，得到更精確的畫面。

天文攝影所用的CCD照相機必須牢牢的固定，以防止任何震動或風吹的影響，同時也是因為大多數的影像平臺生來笨重。要拍攝銀河和nebulae的影像，許多天文學家利用一種稱為"自動導向"的技術。大多數的自動導向系統使用額外的不同軸CCD監測任何影像的偏移，然而也有一些系統將主影像CCD和和導向用CCD放在同一臺相機裡。加了第二顆校正用CCD的裝置，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差，並自動調整驅動馬達以校正這些誤差。


彩色相機
一般的彩色數碼相機是將Bayer濾鏡加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結果每個像素都接收到感光訊號，但色彩解析度不如感光解析度。

用三片CCD和分光稜鏡組成的3CCD系統能將顏色分得更好，分光稜鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光，由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業級數位攝影機，和一部份的半專業級數位攝影機採用3CCD技術。

截至2005年，超高解析度的CCD晶片仍相當昂貴，配備3CCD的高解析靜態照相機，其價位往往超出許多專業攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡，兼顧高解度與忠實的色彩呈現。這類多次成像的照像機只能用於拍攝靜態物品。

相互競爭的科技
近年來，利用互補金氧半導體(CMOS)的製程，已能製造實用的主動像素感測器(APS, Active Pixel Sensor)。CMOS是所有矽晶片製作的主流技術，CMOS感光元件不但造價低廉，也能將訊號處理電路整合在同一部裝置上。後一特性有助於濾除背景雜訊，因為CMOS比CCD更容易受雜訊干擾。這部份的困擾現時已漸漸解決，這要歸功於使用個別像素的低階放大器取代用於整片CCD陣列的單一高階放大器。CMOS感光元件還有一個優點，它的耗電量低於CCD。

[maximilianyuen]

http://zh.wikipedia.org/wiki/CCD

[展翅高飛]

感激不盡！謝謝！ ^^

[ac111]

非常非常感謝 maximilianyuen 師兄提供的資料！謝謝！