电荷耦合元件

电荷耦合器件（英语：Charge-coupled Device，缩写：CCD），是一种集成电路，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信号。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广泛应用在数字摄影、天文学，尤其是摄影测量学（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的威拉德·博伊尔（Willard Sterling Boyle）和乔治·史密斯（George Elwood 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存储器。将这两种新技术结起来后，博伊尔和史密斯得出一种设备，他们命名为“电荷‘气泡’组件”（Charge "Bubble" Devices）。这种设备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设备，当时只能从寄存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种组件表面产生电荷，而组成数字图像。1971年，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性设备捕捉影像，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，包括飞兆半导体、美国无线电公司和德州仪器。其中飞兆半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性设备和100x100像素的平面设备。2006年元月，博伊尔和史密斯获颁电机电子工程师学会颁发的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。在一个用于感光的CCD中，有一个光敏区域（硅的外延层），和一个由移位寄存器制成的传感区域（狭义上的CCD）。图像通过透镜投影在一列电容上（光敏区域），导致每一个电容都积累一定的电荷，而电荷的数量则正比于该处的入射光强。用于线扫描相机的一维电容阵列，每次可以扫描一单层的电容；而用于摄像机和一般相机的二维电容阵列，则可以扫描投射在焦平面上的图像。一旦电容阵列曝光，一个控制回路将会使每个电容把自己的电荷传给相邻的下一个电容（传感区域）。而阵列中最后一个电容里的电荷，则将传给一个电荷放大器，并被转化为电压信号。通过重复这个过程，控制回路可以把整个阵列中的电荷转化为一系列的电压信号。在数字电路中，会将这些信号采样、数字化，通常会存储起来；而在模拟电路中，会将它们处理成一个连续的模拟信号（例如把电荷放大器的输出信号输给一个低通滤波器）。含格状排列像素的CCD应用于数字相机、光学扫描仪与摄影机的感光组件。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。传真机或扫描仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数字相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中截取一块方形的区域。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。如此周而复始，直到整个影像都转成电位，取样并数字化之后存入存储器。存储的影像可以发送到打印机、存储设备或显示器。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设备，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运行方向一致，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，所以派生出红外线影像、夜视设备、零照度（或趋近零照度）摄影机／照相机等。因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应，为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数字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）。温度噪声、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。为去除背景噪声，要先在快门关闭时取影像信号的平均值，即为“暗框”（dark frame）。然后打开快门，获取影像后减去暗框的值，再滤除系统噪声（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。以光学设备把主镜内部分星光加进相机内另一颗CCD导星设备，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设备导星。一般的彩色数字相机是将拜尔滤镜（英语：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信号，但色彩分辨率不如感光分辨率。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。所有的专业级数字摄影机，和一部分的半专业级数字摄影机采用3CCD技术。截至2005年，超高清晰度的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的高清晰静态照相机，其价位往往超出许多专业摄影者的预算。因此有些高端相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。近年来，利用互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）的制程，已能制造实用的主动像素传感器（Active Pixel Sensor）。CMOS是所有硅芯片制作的主流技术，CMOS感光组件不但造价低廉，也能将信号处理电路集成在同一部设备上。CCD则有助于滤除背景噪声，因为CMOS比CCD更容易受噪声干扰。这部分的困扰现已渐渐解决，这要归功于使用个别像素的低端放大器取代用于整片CCD阵列的单一高端放大器。CMOS感光组件跟CCD相比，耗电量较低，数据传输亦较快。于高清晰度数字摄影机与数字相机，尤其是片幅规格较大的数字单反相机更常见到CMOS的应用，另外消费型数字相机以及附有照相功能的手机亦开始使用背面照射式CMOS，使成像质量得以提升。CMOS于成像的技术日趋成熟下大幅普及，使CCD的占有率从2010年代起不断下降，全球最大的CCD生产商索尼更宣布于2017年停止生产CCD，但是高级照片扫描仪以及军方器材仍然为CCD所垄断。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宣称，三人的发明有助于创建今日网络世界的基础，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。