CCD (电荷耦合元件)

电荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）是一种积体电路，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讯号。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广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术（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（Bell Labs）的威拉德·博伊尔（Willard Boyle）和乔治·史密斯（George E. 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记忆体。将这两种新技术结起来后，博伊尔和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge "Bubble" Devices）。这种装置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装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。

1971年，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，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，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

2006年元月，博伊尔和史密斯获颁电机电子工程师学会（IEEE）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。

含格状排列像素的CCD应用于数位相机、光学扫瞄器与摄影机的感光元件。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。传真机或扫瞄器用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数位相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。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。如此周着复始，直到整个影像都转成电位，取样并数字化之后存入记忆体。储存的影像可以传送到印表机、储存设备或显示器。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装置，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执行方向一致，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，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度（或趋近零照度）摄影机／照相机等。为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数位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）。

温度杂讯、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。为去除背景杂讯，要先在快门关闭时取影像讯号的平均值，即为“暗框”（dark frame）。然后打开快门，取得影像后减去暗框的值，再滤除系统杂讯（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。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星装置，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装置导星。

一般的彩色数位相机是将拜尔滤镜（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讯号，但色彩解析度不如感光解析度。

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。所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。

截至2005年，超高解析度的CCD晶片仍相当昂贵，配备3CCD的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高解析度与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。

近年来，利用互补金氧半导体（CMOS）的制程，已能制造实用的主动像素感测器（Active Pixel Sensor）。CMOS是所有矽晶片制作的主流技术，CMOS感光元件不但造价低廉，也能将讯号处理电路整合在同一部装置上。后一特性有助于滤除背景杂讯，因为CMOS比CCD更容易受杂讯干扰。这部份的困扰现时已渐渐解决，这要归功于使用个别像素的低阶放大器取代用于整片CCD阵列的单一高阶放大器。CMOS感光元件跟CCD相比，耗电量较低，数据传输亦较快。于高解析度数位摄影机与数位相机，尤其是片幅规格较大的数位单眼相机更常见到CMOS的应用，另外消费型数位相机亦开始使用背面照射式CMOS，使成像得以提升。

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称，三人的发明有助于建立今日网路世界的基础，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。

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