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伴隨著數(shù)碼相機(jī)、帶有攝像頭的手機(jī)等電子設(shè)備風(fēng)靡全球,人類已經(jīng)進(jìn)入了全民數(shù)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(lǐng)我們進(jìn)入如此五彩斑斕世界的,就是美國科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發(fā)明的CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器。

百多年來,伴隨著暗箱、鏡頭和感光材料制作不斷取得突破,以及精密機(jī)械、化學(xué)技術(shù)的發(fā)展,照相機(jī)的功能越來越強(qiáng)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(chuàng)意地發(fā)明了一種半導(dǎo)體裝置,可以把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,這一裝置,就是CCD圖像傳感器。

CCD圖像傳感器的發(fā)明,實(shí)際上是應(yīng)用愛因斯坦有關(guān)光電效應(yīng)理論的結(jié)果,即光照射到某些物質(zhì)上,能夠引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。但是從理論到實(shí)踐,道路卻并不平坦�？茖W(xué)家遇到的最大挑戰(zhàn),在于如何在很短的時間內(nèi),將每一個點(diǎn)上因?yàn)楣庹斩�產(chǎn)生改變的大量電信號采集并且辨別出來。

經(jīng)過多次試驗(yàn),博伊爾和史密斯終于解決了上述難題。他們采用一種高感光度的半導(dǎo)體材料,將光線照射導(dǎo)致的電信號變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,使得其高效存儲、編輯、傳輸都成為可能。簡單地說,CCD圖像傳感器就像是膠片一樣,有了它,人們就再不用耗時費(fèi)力地去沖洗膠片了。

CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測量等領(lǐng)域。作為攝像器件,與攝像管相比,CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。

CCD圖像傳感器除了大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)外,還廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)、掃描儀,以及工業(yè)領(lǐng)域等。此外,在醫(yī)學(xué)中為診斷疾病或進(jìn)行顯微手術(shù)等而對人體內(nèi)部進(jìn)行的拍攝中,也大量應(yīng)用了CCD圖像傳感器及相關(guān)設(shè)備。

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

CCD圖像傳感器已成為攝錄一體機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和多媒體系統(tǒng)的核心部件。

在世界已進(jìn)入信息時代的今天,以數(shù)字化、計算機(jī)、通訊、電視和多媒體為主要特征的信息革命正在興起。作為視覺傳感器的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圖像傳感器的市場十分廣闊,前景十分看好。

CCD圖像傳感器經(jīng)過近30年的發(fā)展,已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)了商品化。CCD圖像傳感器從最初簡單的8像元移位寄存器發(fā)展至今,已具有數(shù)百萬至上千萬像元。由于CCD圖像傳感器具有很大的潛在市場和廣闊的應(yīng)用前景,因此,國際上在這方面的研究工作進(jìn)行得相當(dāng)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,并在CCD圖像傳感器的研究和應(yīng)用方面取得了令人矚目的成果。美國和日本的器件和整機(jī)系統(tǒng)已進(jìn)入了商品化階段。

中國CCD圖像傳感器的研制工作也在穩(wěn)步地進(jìn)行。第一代普通線陣CCD圖像傳感器(光敏元為MOS結(jié)構(gòu))和第二代對藍(lán)光響應(yīng)特性好的(光敏元為光電二極管陣列)CCPD均已形成128、256、512、1024、1728、2048、2500像元的系列產(chǎn)品,在實(shí)驗(yàn)室已做出了3456、4096像元的CCPD樣品;面陣CCD圖像傳感器已研制出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(shí)驗(yàn)室已研制出了1024×1024,2048×2048像元的器件,基本上形成了系列化產(chǎn)品。隨著器件性能的改進(jìn),CCD攝像機(jī)也將得到迅速發(fā)展。

除可見光CCD圖像傳感器外,中國還研制出了線陣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)。中國正在研制和開發(fā)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(zhuǎn)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。但由于受經(jīng)費(fèi)、設(shè)備等因素影響,中國CCD圖像傳感器的研究進(jìn)展尚不夠迅速,還沒有生產(chǎn)能力,與國際先進(jìn)水平相比差距很大。就CCD的應(yīng)用潛力而言,也最多不過發(fā)揮了1%左右。據(jù)悉,信息產(chǎn)業(yè)部下屬研究所已從美國和俄羅斯引進(jìn)可見光和紅外CCD芯片生產(chǎn)線并開展試驗(yàn)工作,這將大大促進(jìn)中國CCD芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2009年10月6日,瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布,將2009年諾貝爾物理學(xué)獎授予華人科學(xué)家高錕以及兩名美國科學(xué)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(dǎo)體領(lǐng)域上的開創(chuàng)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?wù)吒鞯盟姆种�一的獎金。高錕的獲獎理由為——"在光學(xué)通信領(lǐng)域光在光纖中傳輸方面所取得的開創(chuàng)性成就"。兩位美國科學(xué)家的獲獎理由為——"發(fā)明了一種成像半導(dǎo)體電路,即CCD(電荷耦合器件)傳感器"。