CCD圖像感測器

伴隨著數碼相機、帶有攝像頭的手機等電子設備風靡全球，人類已經進入了全民數碼影像的時代，每一個人都可以隨時、隨地、隨意地用影像記錄每一瞬間。帶領我們進入如此五彩斑斕世界的，就是美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發明的CCD（電荷耦合器件）圖像感測器。

百多年來，伴隨著暗箱、鏡頭和感光材料製作不斷取得突破，以及精密機械、化學技術的發展，照相機的功能越來越強大，使用越來越方便。但是，直到幾十年前，人們依然只能將影像記錄在膠片上。拍攝影像慢慢普及，但即時欣賞、分享、傳遞影像還非常困難。1969年，博伊爾和史密斯極富創意地發明了一種半導體裝置，可以把光學影像轉化為數字信號，這一裝置，就是CCD圖像感測器。

CCD圖像感測器的發明，實際上是應用愛因斯坦有關光電效應理論的結果，即光照射到某些物質上，能夠引起物質的電性質發生變化。但是從理論到實踐，道路卻並不平坦。科學家遇到的最大挑戰，在於如何在很短的時間內，將每一個點上因為光照而產生改變的大量電信號採集並且辨別出來。經過多次試驗，博伊爾和史密斯終於解決了上述難題。他們採用一種高感光度的半導體材料，將光線照射導致的電信號變化轉換成數字信號，使得其高效存儲、編輯、傳輸都成為可能。簡單地說，CCD圖像感測器就像是膠片一樣，有了它，人們就再不用耗時費力地去沖洗膠片了。

CCD圖像感測器作為一種新型光電轉換器現已被廣泛應用於攝像、圖像採集、掃描儀以及工業測量等領域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像感測器有體積小、重量輕、解析度高、靈敏度高、動態範圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應範圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗震性和抗衝擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優點。

CCD圖像感測器除了大規模應用於數碼相機外，還廣泛應用於攝像機、掃描儀，以及工業領域等。此外，在醫學中為診斷疾病或進行顯微手術等而對人體內部進行的拍攝中，也大量應用了CCD圖像感測器及相關設備。

CCD是數碼相機的電子眼，它革新了攝影術，光可以被電子化地記錄下來，取代了膠片。這一數字形式極大地方便了對圖像的處理和發送，”諾貝爾獎評選委員會稱讚說，“無論是我們大海中深邃之地，還是宇宙中的遙遠之處，它都能給我們帶來水晶般清晰的影像。”

CCD圖像感測器已成為攝錄一體機、印表機、傳真機、攝像機、數碼相機、掃描儀、數字攝像機和多媒體系統的核心部件。

在世界已進入信息時代的今天，以數字化、計算機、通訊、電視和多媒體為主要特徵的信息革命正在興起。作為視覺感測器的CCD攝像器件，在光電圖像信息獲取與處理中起著極其重要的作用。CCD圖像感測器的市場十分廣闊，前景十分看好。

CCD圖像感測器經過近30年的發展，已經成熟並實現了商品化。CCD圖像感測器從最初簡單的8像元移位寄存器發展至今，已具有數百萬至上千萬像元。由於CCD圖像感測器具有很大的潛在市場和廣闊的應用前景，因此，國際上在這方面的研究工作進行得相當活躍，美國、日本、英國、荷蘭、德國、加拿大、俄羅斯、南韓等國家均投入了大量的人力、物力和財力，並在CCD圖像感測器的研究和應用方面取得了令人矚目的成果。美國和日本的器件和整機系統已進入了商品化階段。

中國CCD圖像感測器的研製工作也在穩步地進行。第一代普通線陣CCD圖像感測器(光敏元為MOS結構)和第二代對藍光響應特性好的(光敏元為光電二極體陣列)CCPD均已形成128、256、512、1024、1728、2048、2500像元的系列產品，在實驗室已做出了3456、4096像元的CCPD樣品；面陣CCD圖像感測器已研製出32×32、75×100、108×108、150×150、320×230、256×320、512×320、491×384、580×394、512×512、600×500、756×581、800×800像元器件。在實驗室已研製出了1024×1024，2048×2048像元的器件，基本上形成了系列化產品。隨著器件性能的改進，CCD攝像機也將得到迅速發展。

除可見光CCD圖像感測器外，中國還研製出了線陣64、128、256、1024像元和面陣32×64、128×128、256×256像元硅化鉑肖特基勢壘紅外CCD(Ptsi桽BIR CCD)。中國正在研製和開發的CCD有：512×512像元X射線CCD、512×512像元光纖面板耦合CCD像敏器件、512×512像元幀轉移可見光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024像元X射線CCD、 512×512像元PtSi桽BIR CCD、微光CCD和多光譜紅外CCD等。但由於受經費、設備等因素影響，中國CCD圖像感測器的研究進展尚不夠迅速，還沒有生產能力，與國際先進水平相比差距很大。就CCD的應用潛力而言，也最多不過發揮了1%左右。據悉，信息產業部下屬研究所已從美國和俄羅斯引進可見光和紅外CCD晶元生產線並開展試驗工作，這將大大促進中國CCD晶元的產業化進程。

2009年10月6日，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2009年諾貝爾物理學獎授予華人科學家高錕以及兩名美國科學家韋拉德-博伊爾(Willard Boyle)和喬治-史密斯(George Smith)，以獎勵他們在光纖和半導體領域上的開創性研究。他們將分享1000萬瑞典克朗(約合140萬美元)的獎金。其中高錕將獲得一半的獎金，另外兩名獲獎者各得四分之一的獎金。高錕的獲獎理由為——“在光學通信領域光在光纖中傳輸方面所取得的開創性成就”。兩位美國科學家的獲獎理由為——“發明了一種成像半導體電路，即CCD(電荷耦合器件)感測器”。