什么是CCD電荷耦合器件(CCD工作時(shí)的電荷耦合原理)

要以數(shù)字方式拍攝照片，現(xiàn)代相機(jī)需要捕捉光線并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。為此，相機(jī)需要一個(gè)傳感器來(lái)準(zhǔn)確快速地記錄來(lái)自環(huán)境的光子。
   
您可能已經(jīng)知道智能手機(jī)和消費(fèi)類數(shù)碼相機(jī)中使用的 CMOS 傳感器。但是您知道還有另一種類型的傳感器可以提供更高級(jí)別的細(xì)節(jié)和動(dòng)態(tài)范圍嗎？這些相機(jī)傳感器被稱為 CCD。那么，CCD 究竟是什么？它是如何工作的，又是如何使用的？讓我們來(lái)談?wù)勊?nbsp;
 
什么是 CCD（電荷耦合器件）？
   
CCD 或電荷耦合器件是一種電子傳感器，它通過(guò)在薄硅晶片上彈跳光子產(chǎn)生的電荷將光轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
 
從 80 年代初到 2000 年代末，CCD 是相機(jī)傳感器的黃金標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)樵?2010 年左右，CMOS 傳感器獲得了重大的技術(shù)創(chuàng)新，這使得它們作為片上系統(tǒng) (SoC) 的制造成本更低，同時(shí)具有與 CCD 傳感器相當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量。
 
自從 CMOS 開(kāi)始流行以來(lái)，在過(guò)去十年中，在智能手機(jī)和相機(jī)上很少見(jiàn)到 CCD 傳感器。然而，CCD 傳感器并沒(méi)有完全過(guò)時(shí)。盡管它們可能已經(jīng)被消費(fèi)相機(jī)市場(chǎng)淘汰，但 CCD 傳感器仍然是某些攝影領(lǐng)域中使用的首選傳感器。
 
CCD技術(shù)在攝影中的應(yīng)用

除了制造昂貴之外，CCD 還存在其他問(wèn)題，導(dǎo)致其逐步退出消費(fèi)市場(chǎng)。這包括它的高功率要求（比 CMOS 使用的功率高 100 倍）和緩慢的圖像處理速度（這是連拍照片和拍攝視頻時(shí)的一個(gè)問(wèn)題）。
 
盡管存在所有這些缺點(diǎn)，但 CCD 在需要機(jī)器視覺(jué)的各種工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用中仍然蓬勃發(fā)展。這是因?yàn)?CCD 仍可提供這些專業(yè)攝影領(lǐng)域所需的更高質(zhì)量的低噪聲圖像。此外，購(gòu)買和操作 CCD 相機(jī)的成本對(duì)于資金充足的機(jī)構(gòu)和企業(yè)來(lái)說(shuō)并不是真正的問(wèn)題。
   
那么，這些仍在使用 CCD 的攝影專業(yè)領(lǐng)域究竟是什么？下面我們一起來(lái)了解一下：
 
光學(xué)顯微鏡

CCD 用于各種顯微鏡應(yīng)用，以觀察食品、化學(xué)、工程和其他需要清晰觀察微觀物體的應(yīng)用。選擇 CCD 用于光學(xué)顯微鏡，因?yàn)樗梢杂涗浘哂谐^(guò) 10 個(gè)像素的物體，具有高靈敏度和低噪聲比。
 
太空攝影

拍攝太空照片最好使用 CCD 相機(jī)。這是因?yàn)?CCD 傳感器具有最高的量子效率，從而導(dǎo)致低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍和更好的均勻性——所有這些都是空間攝影的關(guān)鍵方面。
 
近紅外成像

CCD 用于各種工業(yè)成像應(yīng)用，其中之一是近紅外成像。傳感器需要具有高效的光子吸收才能進(jìn)行近紅外成像，因?yàn)榧t外光子比常規(guī)可見(jiàn)光子更不可見(jiàn)。由于 CCD 提供了可以更好地捕獲紅外光子的高靈敏度傳感器，因此它們總是用于這些應(yīng)用中。
 
CCD 在科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)攝影領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，主要是因?yàn)樗鼈兙哂懈吡孔有省⒌驮肼晥D像和高水平均勻性。但 CCD 傳感器究竟是如何提供這種品質(zhì)的呢？您首先需要了解 CCD 傳感器的工作原理才能更好地理解這一點(diǎn)。
 
CCD 系統(tǒng)如何工作？

CCD只是各種類型的相機(jī)傳感器中的一種。就像其他相機(jī)傳感器一樣，CCD 捕捉光線并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后在電子顯示器（如監(jiān)視器）上查看時(shí)將其處理并顯示為像素。
 
盡管所有成像傳感器都具有捕獲模擬信號(hào)以生成數(shù)字信號(hào)的相同任務(wù)，但實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)所需的模式或過(guò)程與其他傳感器不同。
 
CCD 傳感器捕捉圖像需要經(jīng)歷五個(gè)步驟，從光到電荷的轉(zhuǎn)換、電荷積累、電荷轉(zhuǎn)移、電荷到電壓的轉(zhuǎn)換，然后是信號(hào)放大。讓我們一步一步地完成這個(gè)過(guò)程：
 
第 1 步：光充電轉(zhuǎn)換
   
CCD 傳感器通過(guò)允許光子（來(lái)自光的能量）從薄硅晶片反彈然后釋放電子來(lái)捕獲光。然后，一個(gè)帶正電的微型電容器充當(dāng)收集和存儲(chǔ)釋放電子的桶。在微型電容器頂部的這種薄硅晶片的一個(gè)單元被稱為光點(diǎn)。
 
第 2 步和第 3 步：電荷積累和電荷轉(zhuǎn)移
   
CCD 傳感器會(huì)繼續(xù)收集和存儲(chǔ)此類電子，直到相機(jī)快門關(guān)閉。來(lái)自電容器的所有存儲(chǔ)電子都是產(chǎn)生電荷的原因。
 
當(dāng)相機(jī)快門關(guān)閉時(shí)，感光點(diǎn)的所有電荷都會(huì)轉(zhuǎn)移到感應(yīng)電容器電路。傳輸是通過(guò)將電荷水平移動(dòng)到傳感器邊緣，然后垂直移動(dòng)直到每個(gè)電荷都發(fā)送到感應(yīng)電容器電路來(lái)完成的。
 
CCD 傳感器使用這種移位寄存器機(jī)制來(lái)轉(zhuǎn)移電荷，而 CMOS 傳感器使用本地電壓轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大。雖然這使 CMOS 成為更快的傳感器，但它也使它們的輸出非常嘈雜，因?yàn)楸镜胤糯笃鞯慕^對(duì)數(shù)量會(huì)在圖像中產(chǎn)生噪聲或偽影。相比之下，CCD 僅使用一個(gè)放大電路來(lái)放大信號(hào)。
 
高速使用局部放大的另一個(gè)缺點(diǎn)是它會(huì)導(dǎo)致圖像不均勻。CCD 傳感器不存在這樣的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔幚砻總€(gè)光點(diǎn)中的電荷時(shí)是線性過(guò)程。
 
第 4 步和第 5 步：電荷電壓轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大
   
發(fā)送到感應(yīng)電容器的模擬電荷會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓，從而使原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用于制作圖像。電荷到電壓轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號(hào)仍然太低，無(wú)法供處理器使用。
 
為了增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)，使用信號(hào)放大器。然后將放大的信號(hào)發(fā)送到圖像處理器，然后由圖像處理器組合圖像。
 
總結(jié)：什么是CCD電荷耦合器件(CCD工作時(shí)的電荷耦合原理)
 
CCD 曾經(jīng)是數(shù)碼相機(jī)傳感器的黃金標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已不再供普通消費(fèi)者使用。但憑借其高量子效率、低噪聲成像、更高的動(dòng)態(tài)范圍和出色的均勻性，CCD 仍在許多科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中使用。盡管制造商不太可能在不久的將來(lái)帶回消費(fèi)級(jí) CCD 相機(jī)，但 CCD 將繼續(xù)成為科學(xué)研究的主要產(chǎn)品。