什麼是 CCD（電荷耦合器件）及其使用方法？

要以數字方式拍攝照片，現代相機需要捕捉光線並將其轉換為數字信息。為此，相機需要一個傳感器來準確快速地記錄來自環境的光子。

您可能已經知道智能手機和消費類數碼相機中使用的 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別的細節和動態範圍嗎？這些相機傳感器被稱為 CCD。

那麼，CCD 究竟是什麼？它是如何工作的，又是如何使用的？讓我們來談談它。

什麼是 CCD（電荷耦合器件）？

CCD 或電荷耦合器件是一種電子傳感器，它通過在薄矽晶片上彈跳光子產生的電荷將光轉換為數字信號。

從 80 年代初到 2000 年代末，CCD 是相機傳感器的黃金標準。這是因為在 2010 年左右，CMOS 傳感器獲得了重大的技術創新，這使得它們作為片上系統 (SoC) 的製造成本更低，同時具有與 CCD 傳感器相當的圖像質量。

自從 CMOS 開始流行以來，在過去十年中，在智能手機和相機上很少見到 CCD 傳感器。然而，CCD 傳感器並沒有完全過時。儘管它們可能已經被消費相機市場淘汰，但 CCD 傳感器仍然是某些攝影領域中使用的首選傳感器。

CCD技術在攝影中的應用

除了製造昂貴之外，CCD 還存在其他問題，導致其逐步退出消費市場。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的一個問題）。

儘管存在所有這些缺點，但 CCD 在需要機器視覺的各種工業和科學應用中仍然蓬勃發展。這是因為 CCD 仍可提供這些專業攝影領域所需的更高質量的低噪聲圖像。此外，購買和操作 CCD 相機的成本對於資金充足的機構和企業來說並不是真正的問題。

那麼，這些仍在使用 CCD 的攝影專業領域究竟是什麼？下面我們一起來了解一下：

光學顯微鏡

CCD 用於各種顯微鏡應用，以觀察食品、化學、工程和其他需要清晰觀察微觀物體的應用。選擇 CCD 用於光學顯微鏡，因為它可以記錄具有超過 10 個像素的物體，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。這是因為 CCD 傳感器具有最高的量子效率，從而導致低噪聲、高動態範圍和更好的均勻性——所有這些都是空間攝影的關鍵方面。

近紅外成像

CCD 用於各種工業成像應用，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行近紅外成像，因為紅外光子比常規可見光子更不可見。由於 CCD 提供了可以更好地捕獲紅外光子的高靈敏度傳感器，因此它們總是用於這些應用中。

CCD 在科學、工業和醫學攝影領域蓬勃發展，主要是因為它們具有高量子效率、低噪聲圖像和高水平均勻性。但 CCD 傳感器究竟是如何提供這種品質的呢？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。

CCD 系統如何工作？

CCD只是各種類型的相機傳感器中的一種。就像其他相機傳感器一樣，CCD 捕捉光線並將其轉換為數字信號，然後在電子顯示器（如監視器）上查看時將其處理並顯示為像素。

儘管所有成像傳感器都具有捕獲模擬信號以生成數字信號的相同任務，但實現上述任務所需的模式或過程與其他傳感器不同。

CCD 傳感器捕捉圖像需要經歷五個步驟，從光到電荷的轉換、電荷積累、電荷轉移、電荷到電壓的轉換，然後是信號放大。讓我們一步一步地完成這個過程：

第 1 步：光充電轉換

CCD 傳感器通過允許光子（來自光的能量）從薄矽晶片反彈然後釋放電子來捕獲光。然後，一個帶正電的微型電容器充當收集和存儲釋放電子的桶。在微型電容器頂部的這種薄矽晶片的一個單元被稱為光點。

第 2 步和第 3 步：電荷積累和電荷轉移

CCD 傳感器會繼續收集和存儲此類電子，直到相機快門關閉。來自電容器的所有存儲電子都是產生電荷的原因。

當相機快門關閉時，感光點的所有電荷都會轉移到感應電容器電路。傳輸是通過將電荷水平移動到傳感器邊緣然後垂直移動直到每個電荷都發送到感應電容器電路來完成的。

CCD 傳感器使用這種移位寄存器機制來轉移電荷，而 CMOS 傳感器使用本地電壓轉換和信號放大。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，因為本地放大器的絕對數量會在圖像中產生噪聲或偽影。相比之下，CCD 僅使用一個放大電路來放大信號。

高速使用局部放大的另一個缺點是它會導致圖像不均勻。CCD 傳感器不存在這樣的問題，因為它們在處理每個光點中的電荷時是線性過程。

第 4 步和第 5 步：電荷電壓轉換和信號放大

發送到感應電容器的模擬電荷會自動轉換為電壓，從而使原始數字數據用於製作圖像。電荷到電壓轉換後，數字信號仍然太低，無法供處理器使用。

為了增強數字信號，使用信號放大器。然後將放大的信號發送到圖像處理器，然後由圖像處理器組合圖像。

CCD 將繼續存在

CCD 曾經是數碼相機傳感器的黃金標準，現在已不再供普通消費者使用。但憑藉其高量子效率、低噪聲成像、更高的動態範圍和出色的均勻性，CCD 仍在許多科學和工業應用中使用。

儘管製造商不太可能在不久的將來帶回消費級 CCD 相機，但 CCD 將繼續成為科學研究的主要產品。