CCD (電荷耦合元件) | 知識庫 | 藍眼知識學院 | 藍眼科技集團

CCD (電荷耦合元件)

電荷耦合元件(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,並將影像轉變成數字訊號。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,尤其是光學遙測技術(Photometry)、光學與頻譜望遠鏡,和高速攝影技術如幸運成像。

CCD是於1969年由美國貝爾實驗室(Bell Labs)的威拉德·博伊爾(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,博伊爾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。

1971年,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,包括快捷半導體(Fairchild Semiconductor)、美國無線電公司(RCA)和德州儀器(Texas Instruments)。其中快捷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,博伊爾和史密斯獲頒電機電子工程師學會(IEEE)頒發的Charles Stark Draper獎章,以表彰他們對CCD發展的貢獻。2009年10月兩人榮獲諾貝爾物理獎。

含格狀排列像素的CCD應用於數位相機、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),優於傳統軟片的2%,因此CCD迅速獲得天文學家的大量採用。

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,而數位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,電信號傳入放大器,轉變成電位。如此周著復始,直到整個影像都轉成電位,取樣並數字化之後存入記憶體。儲存的影像可以傳送到印表機、儲存設備或顯示器。經冷凍的CCD同時在1990年代初亦廣泛應用於天文攝影與各種夜視裝置,而各大型天文台亦不斷研發高像數CCD以拍攝極高解像之天體照片。

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帶追蹤望遠鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動的方向與天體執行方向一致,速度也同步,以CCD導星不僅能使望遠鏡有效糾正追蹤誤差,還能使望遠鏡記錄到比原來更大的視場。

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常以液態氮或半導體冷卻,因室溫下的物體會有紅外線的黑體輻射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應,各種配備CCD的數位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(信噪比提高)。

溫度雜訊、暗電流(dark current)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,取其平均值以緩解干擾效應。為去除背景雜訊,要先在快門關閉時取影像訊號的平均值,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),得到更清晰的細節。

天文攝影所用的冷卻CCD照相機必須以接環固定在成像位置,防止外來光線或震動影響;同時亦因為大多數影像平臺生來笨重,要拍攝星系、星雲等暗弱天體的影像,天文學家利用「自動導星」技術。大多數的自動導星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鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學裝置把主鏡內部份星光加進相機內另一顆CCD導星裝置,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矯正誤差而不需另外裝置導星。

一般的彩色數位相機是將拜爾濾鏡(Bayer filter)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,兼顧高解析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。

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(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感光元件跟CCD相比,耗電量較低,數據傳輸亦較快。於高解析度數位攝影機與數位相機,尤其是片幅規格較大的數位單眼相機更常見到CMOS的應用,另外消費型數位相機亦開始使用背面照射式CMOS,使成像得以提升。

CCD的發明,令威拉德·博伊爾和喬治·史密斯與發明光纖的高錕分享2009年諾貝爾獎。諾貝爾獎評審委員會稱,三人的發明有助於建立今日網路世界的基礎,為今日的日常生活創立許多革新,也為科學的開拓上提供了工具。


無線網路規劃建議

回答與建議

硬碟長壽十五招

回答與建議

關於影像分析的十件事

回答與建議

Academy.blueeyes.com.tw

藍眼知識學院

蘊藏許多助人的知識與智慧。

關注藍眼知識學院,與我們聊聊天

  LINE