什么是CCD电荷耦合器件(CCD工作时的电荷耦合原理)

要以数字方式拍摄照片，现代相机需要捕捉光线并将其转换为数字信息。为此，相机需要一个传感器来准确快速地记录来自环境的光子。
   
您可能已经知道智能手机和消费类数码相机中使用的 CMOS 传感器。但是您知道还有另一种类型的传感器可以提供更高级别的细节和动态范围吗？这些相机传感器被称为 CCD。那么，CCD 究竟是什么？它是如何工作的，又是如何使用的？让我们来谈谈它。 
 
什么是 CCD（电荷耦合器件）？
   
CCD 或电荷耦合器件是一种电子传感器，它通过在薄硅晶片上弹跳光子产生的电荷将光转换为数字信号。
 
从 80 年代初到 2000 年代末，CCD 是相机传感器的黄金标准。这是因为在 2010 年左右，CMOS 传感器获得了重大的技术创新，这使得它们作为片上系统 (SoC) 的制造成本更低，同时具有与 CCD 传感器相当的图像质量。
 
自从 CMOS 开始流行以来，在过去十年中，在智能手机和相机上很少见到 CCD 传感器。然而，CCD 传感器并没有完全过时。尽管它们可能已经被消费相机市场淘汰，但 CCD 传感器仍然是某些摄影领域中使用的首选传感器。
 
CCD技术在摄影中的应用

除了制造昂贵之外，CCD 还存在其他问题，导致其逐步退出消费市场。这包括它的高功率要求（比 CMOS 使用的功率高 100 倍）和缓慢的图像处理速度（这是连拍照片和拍摄视频时的一个问题）。
 
尽管存在所有这些缺点，但 CCD 在需要机器视觉的各种工业和科学应用中仍然蓬勃发展。这是因为 CCD 仍可提供这些专业摄影领域所需的更高质量的低噪声图像。此外，购买和操作 CCD 相机的成本对于资金充足的机构和企业来说并不是真正的问题。
   
那么，这些仍在使用 CCD 的摄影专业领域究竟是什么？下面我们一起来了解一下：
 
光学显微镜

CCD 用于各种显微镜应用，以观察食品、化学、工程和其他需要清晰观察微观物体的应用。选择 CCD 用于光学显微镜，因为它可以记录具有超过 10 个像素的物体，具有高灵敏度和低噪声比。
 
太空摄影

拍摄太空照片最好使用 CCD 相机。这是因为 CCD 传感器具有最高的量子效率，从而导致低噪声、高动态范围和更好的均匀性——所有这些都是空间摄影的关键方面。
 
近红外成像

CCD 用于各种工业成像应用，其中之一是近红外成像。传感器需要具有高效的光子吸收才能进行近红外成像，因为红外光子比常规可见光子更不可见。由于 CCD 提供了可以更好地捕获红外光子的高灵敏度传感器，因此它们总是用于这些应用中。
 
CCD 在科学、工业和医学摄影领域蓬勃发展，主要是因为它们具有高量子效率、低噪声图像和高水平均匀性。但 CCD 传感器究竟是如何提供这种品质的呢？您首先需要了解 CCD 传感器的工作原理才能更好地理解这一点。
 
CCD 系统如何工作？

CCD只是各种类型的相机传感器中的一种。就像其他相机传感器一样，CCD 捕捉光线并将其转换为数字信号，然后在电子显示器（如监视器）上查看时将其处理并显示为像素。
 
尽管所有成像传感器都具有捕获模拟信号以生成数字信号的相同任务，但实现上述任务所需的模式或过程与其他传感器不同。
 
CCD 传感器捕捉图像需要经历五个步骤，从光到电荷的转换、电荷积累、电荷转移、电荷到电压的转换，然后是信号放大。让我们一步一步地完成这个过程：
 
第 1 步：光充电转换
   
CCD 传感器通过允许光子（来自光的能量）从薄硅晶片反弹然后释放电子来捕获光。然后，一个带正电的微型电容器充当收集和存储释放电子的桶。在微型电容器顶部的这种薄硅晶片的一个单元被称为光点。
 
第 2 步和第 3 步：电荷积累和电荷转移
   
CCD 传感器会继续收集和存储此类电子，直到相机快门关闭。来自电容器的所有存储电子都是产生电荷的原因。
 
当相机快门关闭时，感光点的所有电荷都会转移到感应电容器电路。传输是通过将电荷水平移动到传感器边缘，然后垂直移动直到每个电荷都发送到感应电容器电路来完成的。
 
CCD 传感器使用这种移位寄存器机制来转移电荷，而 CMOS 传感器使用本地电压转换和信号放大。虽然这使 CMOS 成为更快的传感器，但它也使它们的输出非常嘈杂，因为本地放大器的绝对数量会在图像中产生噪声或伪影。相比之下，CCD 仅使用一个放大电路来放大信号。
 
高速使用局部放大的另一个缺点是它会导致图像不均匀。CCD 传感器不存在这样的问题，因为它们在处理每个光点中的电荷时是线性过程。
 
第 4 步和第 5 步：电荷电压转换和信号放大
   
发送到感应电容器的模拟电荷会自动转换为电压，从而使原始数字数据用于制作图像。电荷到电压转换后，数字信号仍然太低，无法供处理器使用。
 
为了增强数字信号，使用信号放大器。然后将放大的信号发送到图像处理器，然后由图像处理器组合图像。
 
总结：什么是CCD电荷耦合器件(CCD工作时的电荷耦合原理)
 
CCD 曾经是数码相机传感器的黄金标准，现在已不再供普通消费者使用。但凭借其高量子效率、低噪声成像、更高的动态范围和出色的均匀性，CCD 仍在许多科学和工业应用中使用。尽管制造商不太可能在不久的将来带回消费级 CCD 相机，但 CCD 将继续成为科学研究的主要产品。