電荷耦合器件CCD的發(fā)展史和工作原理

電荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）歸屬于集成電路，排列整齊許多電容，能感應光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD廣泛應用在數(shù)字攝影、天文學，尤其是攝影測量學（photometry）、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術(shù)如星云成像。

CCD技術(shù)發(fā)展史

CCD是于1969年由美國貝爾實驗室的威拉德·博伊爾（Willard Sterling Boyle）和喬治·史密斯（George Elwood Smith）所發(fā)明的。當時貝爾實驗室正在發(fā)展影像電話和半導體氣泡式存儲器。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來后，博伊爾和史密斯得出一種設(shè)備，他們命名為“電荷‘氣泡’組件”（Charge "Bubble" Devices）。

這種設(shè)備的特性就是它能沿著一片半導體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來作為記憶設(shè)備，當時只能從寄存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應能使此種組件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)字圖像。

1971年，貝爾實驗室的研究員已能用簡單的線性設(shè)備捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續(xù)此發(fā)明，著手進行研究，包括飛兆半導體、美國無線電公司和德州儀器。其中飛兆半導體的產(chǎn)品率先上市，于1974年發(fā)表500單元的線性設(shè)備和100x100像素的平面設(shè)備。

2006年元月，博伊爾和史密斯獲頒電機電子工程師學會頒發(fā)的Charles Stark Draper獎章，以表彰他們對CCD發(fā)展的貢獻。2009年10月兩人榮獲諾貝爾物理獎（和高錕同一屆拿到諾獎）。

CCD的工作原理

在柵電極（G）中，施加正電壓會產(chǎn)生勢阱（黃），并把電荷包（電子，藍）收集于其中。只需按正確的順序施加正電壓，就可以傳導電荷包。 在一個用于感光的CCD中，有一個光敏區(qū)域（硅的外延層），和一個由移位寄存器制成的傳感區(qū)域（狹義上的CCD）。 圖像通過透鏡投影在一列電容上（光敏區(qū)域），導致每一個電容都積累一定的電荷，而電荷的數(shù)量則正比于該處的入射光強。用于線掃描相機的一維電容陣列，每次可以掃描一單層的電容；而用于攝像機和一般相機的二維電容陣列，則可以掃描投射在焦平面上的圖像。一旦電容陣列曝光，一個控制回路將會使每個電容把自己的電荷傳給相鄰的下一個電容（傳感區(qū)域）。而陣列中最后一個電容里的電荷，則將傳給一個電荷放大器，并被轉(zhuǎn)化為電壓信號。通過重復這個過程，控制回路可以把整個陣列中的電荷轉(zhuǎn)化為一系列的電壓信號。在數(shù)字電路中，會將這些信號采樣、數(shù)字化，通常會存儲起來；而在模擬電路中，會將它們處理成一個連續(xù)的模擬信號（例如把電荷放大器的輸出信號輸給一個低通濾波器）。

審核編輯：郭婷