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來源：互聯網

CCD相機（charge coupled devices camera，CCD camera ）是指以CCD（電荷耦合器件）作為感光元件的數碼相機。該相機以CCD芯片為核心，將自然界存在的物理圖像經過光電轉化，變成電子視頻圖像信號。一般包括CCD傳感器、驅動電路、信號處理電路、接口電路、外殼及機械光學接口。

1969年10月，貝爾實驗室的威拉德·波伊爾和喬治·史密斯發明電CCD，二人因此工作獲得2009年諾貝爾物理學獎。自20世紀70年代后期開始廣泛應用于天文觀測。1973年，快捷半導體（蘇州）有限公司把CCD技術應用于商業領域，制造出第一只商用CCD成像器件。1981年以后，中國將CCD相機應用于載人航天“921工程”“遙感12號”衛星等。1990年，伊士曼柯達公司發布第一款CCD數碼相機DCS100。2008年后，CCD逐漸被CMOS取代。

CCD相機按照所使用的CCD器件不同可以分為線陣CCD相機和面陣CCD相機兩類。線陣CCD相機可以直接將接收到的一維光信號轉換成時序的電信號輸出，獲得一維的圖像信號。二維面陣CCD相機將一維線型CCD相機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變為具有行場同步的視頻信號輸出。

歷史沿革

研發背景

早期的計算機對圖形圖像的處理能力十分有限，且體積龐大。70年代，PC機的出現首先使辦公計算機小型化。然后，80年代初16位微型計算機普及和高速發展的序幕。短短的十幾年中，微型計算機在軟硬件的方方面面均有了極大的提高，價格一路下降，從而使計算機進入家庭成為現實。也為照相機的數碼化提供了條件。

不過，由于CCD技術的不成熟及周邊軟件缺乏，也使數碼相機一度受阻。進入90年代以后，美蘇冷戰結束，大量軍事方面的高科技開始轉入民用市場，數字圖像技術就是其中之一。另一方面，由于社會的發展，傳統圖像技術的局限性也就逐步顯現出來，諸如過分依賴膠卷導致拍攝次數受限、后期圖像處理困難，環境污染等等，這樣就產生了數字圖像的市場需求。

發展進程

1969年10月，貝爾實驗室的威拉德·波伊爾和喬治·史密斯于發明電荷耦合器件（Charge-coupled Device， CCD），二人因此工作獲得2009年諾貝爾物理學獎。CCD是一種在光電效應基礎上發展起來的半導體光電器件，自20世紀70年代后期開始廣泛應用于天文觀測，相較照相底片和光電倍增管，它具有量子效率高、動態范圍大、線性好等優點。

在接下來的時間里，成百上千的科學家和工程師努力奮斗，逐步將CCD推向實用化，包括美國的仙童(Fairchild)、柯達泰克(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。航天、科學和消費等方面的應用，都得益于為解決CCD問題而從不同渠道投入的經費，但是問題還是很棘手，那是一條非常艱苦的發展之路。

1973年，快捷半導體（蘇州）有限公司把CCD技術應用于商業領域，制造出第一只商用CCD成像器件，這開辟了CCD在工業領域的道路。80年代后期，CCD在大多數視頻應用中取代了電子管。進入90年代后，CCD應用于分辨成像，廣泛應用于專業電子照相、空間探測、X射線成像及其他科研領域。

1981年，薛鳴球調至中科院西安光學精密機械研究所工作，將研究方向瞄準空間光學，致力于中國新一代偵察衛星光學遙感相機的研制，研究團隊研制的多種空間電荷耦合器件(CCD)相機，應用于載人航天“921工程”“遙感12號”衛星等；1993年，創建了西安光機所空間光學研究室。

1990年，伊士曼柯達公司在德國科隆的Photokina展示會上展出了第一臺“便攜式”專業數碼相機DCS。次年，DCS正式上市，并被改名為DCS100。DCS100使用了一塊140萬像素，面積為20. 5x16.4mm的CCD，等效焦距倍率為1.8。90年代早期，CCD還沒有能力生成高解析度的照片，柯達公司發布的全球首臺專業數碼照相機售價高達30000美元。1992年的1992年巴塞羅那奧運會上，它奉獻了13張照片。

1999年，中國研制成功“中巴地球資源衛星”衛星多光譜CCD相機，共研制兩臺。2002年，首發“海洋一號衛星”多光譜CCD相機，填補中國海洋衛星CCD相機的空白。

進入21世紀，市場上200萬像素的數碼相機基本趨于淘汰，300萬和500萬像素的領銜主角。CCD的像素不斷增加，有的甚至已達到四色，CCD相機的功能不斷被翻新，拍攝的圖像效果也就越來越接近于傳統相機。

變革不停

1998年，CMOS圖像傳感器（Complementary Metal-氧化物半導體 Image Sensor，CIS）誕生了。CMOS的光電信息轉換功能與CCD的基本相似，區別就在于這兩種傳感器的光電轉換后信息傳送的方式不同。CMOS具有讀取信息的方式簡單、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、價格低等特點。從2008年開始，各大廠商都開始逐漸把背照式CMOS使用在不同的數碼相機產品上。從此，CMOS圖像傳感器迅速發展。CCD逐漸被CMOS取代。

分類

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

按色彩劃分

CCD相機按照色彩可分為黑白相機和彩色相機。CCD信號在監視器上直接進行顯示，光斑的分布情況用彩色CCD可以直觀反映出來，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相機由于不存在三色合成問題，從而避免了圖像傳感器表面的干涉現象。通常用最低環境照度要求來表明CCD相機的靈敏度，黑白CCD相機的靈敏度大約是0.02 ~0.5勒克斯 ( 勒克斯)，彩色CCD相機多在1Lux以上。

像素排列方式

CCD圖像傳感器是按一定規律排列的MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器組成的陣列。在P型或N型硅襯底上生長一層很薄（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），形成規則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了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，為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法實現。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。就可以構成二維面陣CCD。面陣CCD同時曝光整個圖像。

幀轉移面陣CCD——優點：電極結構簡單，感光區面積可以很小。缺點：需要面積較大暫存區。

隔列轉移面陣CCD——優點：轉移效率大大提高。缺點：結構較為復雜。

主要參數

以上參考

原理及應用

CCD原理

CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD上植入的微小光敏物質稱作像素(Pixel)。像素數越高，面積越大，成像質量就越高越清晰。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線、儲存信號并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給相鄰的圖像處理器來形成圖像。MOS電容器是構成CCD的最基本單元，它是金屬—氧化物—半導體（MOS）器件中結構最為簡單的。

工作過程

CCD相機以CCD芯片為核心，將自然界存在的物理圖像經過光電轉化，變成電子視頻圖像信號。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，以電信號的形式儲存在相機之內，然后再通過相機內的其他元件轉譯為圖片格式。CCD的工作過程主要包括：電荷產生、電荷收集、電荷包轉移和電荷包測量。光子入射到CCD上激發光電子，光電子被收集在一起形成電荷包，電荷包依次從一個像素轉移到另一個像素，最終傳輸到輸出端，完成對電荷包的測量。

信號電荷的注入（產生）

在CCD中，電荷注入的方式可分為光注入和電注入兩類。當光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導體體內產生電子-空穴對，多數載流子被柵極電壓排斥，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。

電注入就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，然后將信號電壓或電流轉換為信號電荷注入到相應的勢阱中。電注入常用的有電流注入和電壓注入兩種方式。

信號電荷的存儲

CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。當向SiO表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區（勢阱），耗盡區的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區域內，形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數載流子為空穴。

信號電荷的傳輸（耦合）

CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉移，就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。

信號電荷的檢測

CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。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散放大器輸出。

應用領域

CCD種類有很多，天文觀測中常用的有全幀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，能夠產生高分辨率的數字圖像。全幀CCD在讀取時，積累的電荷必須首先垂直轉移到下一行，由串行讀出寄存器水平讀出每個像素，重復上述步驟，直至全部轉移完畢，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，這些像素將被用于處理電荷傳輸而不能繼續捕捉新的影像。這時如果探測器繼續接受光線，就會影響成像質量，所以全幀CCD需要配備機械快門，用于探測器讀出過程中遮擋入射光。機械快門的缺點是存在快門效應、故障率高、使用壽命有限等。

CCD相機可以隨時、方便的捕捉圖像，成像清晰度極佳，特別是對微光狀態下的成像支持多重合并像素模式，創新的讀出技術能夠充分降低噪聲，達到一個更高的靈敏度和轉化效果，使得圖像具有極高的信噪比，在醫學領域得到非常廣泛的應用。

在落彈占交匯測量中，可以使用雙CCD相機進行交匯測量。還可以通過天文軟件控制望遠鏡或CCD相機進行天文觀測。

研發意義及影響

CCD的發明具有劃時代的意義，它的出現使得人類捕捉信息達85%的眼睛這個重要器官得到了極大擴展與延申。促進CCD快速發展主要有三個因素：首先，CCD的尺寸小，重量輕，消耗功率少，超低噪聲，動態范圍較大，線性良好，可靠，耐用。第二，這種器件在形狀、快速、外形質量和成本方面能與真空管抗衡。第三，空間成像應用需要新的探測器。市場應用的結果證明CCD是科學領域的一項重大技術變革。它在被忽視數十年之后，能獲得2009年的諾貝爾獎可謂實至名歸。