感光かんこう耦合元もと件けん

一いち組くみ用よう於紫外線しがいせん影像えいぞう處理しょり用よう的てきCCD

电荷耦合器き件けん（英語えいご：Charge-coupled Device，縮寫しゅくしゃ：CCD），是ぜ一いち種しゅ集成しゅうせい電路でんろ，上うえ有ゆう許多きょた排列はいれつ整齊せいせい的てき電でん容よう，能のう感應かんおう光線こうせん，並なみ將はた影像えいぞう轉てん變成へんせい數すう位い信号しんごう。經由けいゆ外部がいぶ電路でんろ的てき控ひかえ制せい，每まい個こ小しょう電でん容よう能のう將はた其所帶たい的てき電荷でんか轉てん給きゅう它相鄰的電でん容よう。CCD廣こう泛應用おうよう在ざい數すう位い攝と影かげ、天文學てんもんがく，尤ゆう其是攝と影かげ測量そくりょう學がく（photometry）、光學こうがく與あずか頻しき譜ふ望遠鏡ぼうえんきょう，和わ高速こうそく攝と影かげ技術ぎじゅつ如幸運こううん成なり像ぞう。

發展はってん史し

CCD是ぜ於1969年ねん由美ゆみ國こく貝かい爾なんじ實驗じっけん室しつ的てき威い拉ひしげ德とく·博はく伊い爾なんじ（Willard Sterling Boyle）和わ喬たかし治ち·史し密みつ斯（George Elwood Smith）所しょ發明はつめい的てき。當時とうじ貝かい爾なんじ實驗じっけん室しつ正せい在ざい發展はってん影像えいぞう電話でんわ和わ半導體はんどうたい磁泡存そん储器。將はた這兩種しゅ新しん技術ぎじゅつ結ゆい起おこり來らい後ご，博ひろし伊い爾なんじ和わ史し密みつ斯得出で一いち種しゅ裝置そうち，他た們命名めいめい為ため“Charge "Bubble" Devices”。這種裝置そうち的てき特性とくせい就是它能沿著一片半導體的表面傳遞電荷でんか，便びん嘗試用しよう來らい做為記憶きおく裝置そうち，當時とうじ只ただ能のう從したがえ暫存器き用もちい「注入ちゅうにゅう」電荷でんか的てき方式ほうしき輸入ゆにゅう記憶きおく。但ただし隨したがえ即そく發現はつげん光ひかり電でん效こう應おう能のう使し此種元もと件けん表面ひょうめん產さん生せい電荷でんか，而組成そせい數すう位い影像えいぞう。

1971年ねん，貝かい爾なんじ實驗じっけん室しつ的てき研究けんきゅう員いん已やめ能のう用よう簡單かんたん的てき線せん性せい裝置そうち捕捉ほそく影像えいぞう，CCD就此誕生たんじょう。有ゆう幾いく家いえ公司こうし接續せつぞく此一發明はつめい，著ちょ手しゅ進行しんこう進しん一いち步ほ的てき研究けんきゅう，包括ほうかつ快かい捷とし半導體はんどうたい、美國びくに無線むせん電でん公司こうし和わ德とく州しゅう儀ぎ器き。其中快かい捷とし半導體はんどうたい的てき產品さんぴん率先そっせん上じょう市し，於1974年ねん發表はっぴょう500單元たんげん的てき線せん性せい裝置そうち和わ100x100像ぞう素的すてき平面へいめん裝置そうち。

2006年ねん元もと月がつ，博ひろし伊い爾なんじ和わ史し密みつ斯獲頒電機でんき電子でんし工程こうてい師し學會がっかい頒發的てき查尔斯·斯塔克かつ·德とく雷かみなり珀奖，以表彰ひょうしょう他た們對CCD發展はってん的てき貢獻こうけん。2009年ねん10月がつ兩人りょうにん榮さかえ獲え諾だく貝かい爾なんじ物理ぶつり獎。

原理げんり

在ざい柵しがらみ電極でんきょく（G）中ちゅう，施ほどこせ加か正せい電壓でんあつ會かい產さん生せい勢いきおい阱（黃き），並なみ把わ電荷でんか包つつみ（電子でんし，藍あい）收集しゅうしゅう於其中ちゅう。只ただ需按正確せいかく的てき順序じゅんじょ施ほどこせ加か正せい電壓でんあつ，就可以傳導でんどう電荷でんか包つつみ。

在ざい一いち個こ用よう於感光かんこう的てきCCD中ちゅう，有ゆう一いち個こ光敏みつとし區域くいき（矽的外延がいえん層そう），和わ一いち個こ由ゆかり移うつり位寄いき存そん器き製せい成なり的てき傳つて感かん區域くいき（狹義きょうぎ上じょう的てきCCD）。

圖像ずぞう通過つうか透とおる鏡きょう投影とうえい在ざい一いち列れつ電でん容よう上じょう（光敏みつとし區域くいき），導しるべ致每一個電容都積纍一定的電荷，而電荷でんか的てき數量すうりょう則そく正せい比ひ於該處しょ的てき入射にゅうしゃ光こう強きょう。用よう於線掃瞄相しょう機き的てき一いち維電容よう陣列じんれつ，每次まいじ可か以掃瞄一單層的電容；而用於攝像ぞう機き和わ一般相機的二維電容陣列，則のり可か以掃瞄投射とうしゃ在ざい焦こげ平面へいめん上じょう的てき圖像ずぞう。一旦電容陣列曝光，一いち個こ控ひかえ制せい迴路將しょう會かい使つかい每ごと個こ電でん容よう把わ自己じこ的てき電荷でんか傳でん給きゅう相しょう鄰的下か一いち個こ電でん容よう（傳つて感かん區域くいき）。而陣列じんれつ中ちゅう最後さいご一個電容裡的電荷，則そく將はた傳つて給きゅう一いち個こ電荷でんか放ひ大器たいき，並なみ被ひ轉化てんか為ため電壓でんあつ信號しんごう。通過つうか重複じゅうふく這個過程かてい，控ひかえ制せい迴路可か以把整せい個こ陣列じんれつ中ちゅう的てき電荷でんか轉化てんか為ため一いち系列けいれつ的てき電壓でんあつ信號しんごう。在ざい數字すうじ電路でんろ中ちゅう，會かい將はた這些信號しんごう採と樣よう、數字すうじ化か，通常つうじょう會かい儲もうか存そん起おこり來らい；而在模擬もぎ電路でんろ中ちゅう，會かい將はた它們處理しょり成なり一いち個こ連續れんぞく的てき模擬もぎ信號しんごう（例れい如把電荷でんか放ひ大器たいき的てき輸出ゆしゅつ信號しんごう輸給一いち個こ低てい通つう濾波器き）。

應用おうよう

含格狀じょう排列はいれつ像ぞう素的すてきCCD應用おうよう於數かず位相いそう機き、光學こうがく掃瞄器き與あずか攝と影かげ機き的てき感光かんこう元もと件けん。其光效率こうりつ可か達たち70%（能のう捕捉ほそく到いた70%的てき入射にゅうしゃ光こう），優ゆう於傳統でんとう底そこ片へん的てき2%，因いん此CCD迅速じんそく獲得かくとく天文學てんもんがく家いえ的てき大量たいりょう採用さいよう。

使用しようCCD的てきWebcam（網あみ絡からま攝と影かげ機き鏡きょう頭あたま）

傳でん真しん機き所用しょよう的てき線せん性せいCCD

影像えいぞう經けい透とおる鏡きょう成なり像ぞう於電でん容よう陣列じんれつ表面ひょうめん後ご，依よ其亮度ど的てき強弱きょうじゃく在ざい每まい個こ電でん容よう單位たんい上じょう形成けいせい強弱きょうじゃく不等ふとう的てき電荷でんか。傳でん真しん機き或ある掃瞄器用きよう的てき線せん性せいCCD每次まいじ捕捉ほそく一細長條的光影，而數位相いそう機き或ある攝と影かげ機き所用しょよう的てき平面へいめん式しきCCD則そく一いち次じ捕捉ほそく一いち整せい張ちょう影像えいぞう，或ある從したがえ中ちゅう擷取一塊ひとかたまり方形ほうけい的てき區域くいき。一旦いったん完成かんせい曝光的てき動作どうさ，控ひかえ制せい電路でんろ會かい使つかい電でん容よう單元たんげん上じょう的てき電荷でんか傳でん到いた相あい鄰的下か一いち個こ單元たんげん，到達とうたつ邊べ緣えん最後さいご一いち個こ單元たんげん時じ，電信でんしん號ごう傳でん入いれ放ひ大器たいき，轉てん變成へんせい電位でんい。如此周しゅう而復始はじめ，直ちょく到いた整せい個こ影像えいぞう都と轉成てんせい電位でんい，取と樣よう並なみ數字すうじ化か之の後こう存そん入にゅう記憶きおく體たい。儲もうか存そん的てき影像えいぞう可か以傳送でんそう到いた印しるし表ひょう機き、儲もうか存そん設備せつび或ある顯示けんじ器き。經けい冷凍れいとう的てきCCD同時どうじ在ざい1990年代ねんだい初はつ亦また廣こう泛應用おうよう於天文てんもん攝と影かげ與あずか各種かくしゅ夜よる視し裝置そうち，而各大型おおがた天文台てんもんだい亦また不斷ふだん研けん發はつ高だか像ぞう數すうCCD以拍攝と極ごく高こう解かい像ぞう之の天體てんたい照あきら片へん。

CCD在天ざいてん文學ぶんがく方面ほうめん有ゆう一いち種しゅ奇妙きみょう的てき應用おうよう方式ほうしき，能のう使し固定こてい式しき的てき望遠鏡ぼうえんきょう發揮はっき有ゆう如帶追つい蹤望遠鏡ぼうえんきょう的てき功こう能のう。方法ほうほう是ぜ讓ゆずるCCD上じょう電荷でんか讀取よみと和わ移動いどう的てき方向ほうこう與あずか天體てんたい運行うんこう方向ほうこう一致いっち，速度そくど也同步ふ，以CCD導しるべ星ぼし不ふ僅能使し望遠鏡ぼうえんきょう有效ゆうこう糾正追つい蹤誤差さ，還かえ能のう使し望遠鏡ぼうえんきょう記錄きろく到いた比ひ原ばら來らい更さら大だい的てき視し場じょう。

一般いっぱん的てきCCD大だい多能たのう感應かんおう紅べに外線がいせん，所しょ以衍生出おいで紅くれない外線がいせん影像えいぞう、夜よる視し裝置そうち、零れい照度しょうど（或ある趨近零れい照度しょうど）攝と影かげ機き／照あきら相しょう機き等とう。因よし室溫しつおん下か的てき物體ぶったい會かい有ゆう紅べに外線がいせん的てき黑くろ體たい辐射效こう應おう，為ため了りょう減げん低てい紅べに外線がいせん干ひ擾，天文てんもん用ようCCD常つね以液えき態たい氮或ある半導體はんどうたい冷ひや卻。CCD對たい紅べに外線がいせん的てき敏感びんかん度ど造成ぞうせい另一いち種しゅ效こう應おう，各種かくしゅ配備はいびCCD的てき數すう位相いそう機き或ある錄ろく影かげ機き若わか沒ぼつ加か裝そう紅べに外線がいせん濾鏡，很容易ようい拍はく到いた遙はるか控ひかえ器き發出はっしゅつ的てき紅べに外線がいせん。降くだ低てい溫度おんど可か減少げんしょう電でん容よう陣列じんれつ上じょう的てき暗くら電流でんりゅう，增進ぞうしんCCD在ざい低てい照度しょうど的てき敏感びんかん度ど，甚至對たい紫外線しがいせん和わ可か見み光こう的てき敏感びんかん度ど也隨之の提ひっさげ升ます（信しん噪比提ひさげ高だか）。

溫度おんど雜ざつ訊、暗くら電流でんりゅう（dark current）和わ宇宙うちゅう輻射ふくしゃ都會とかい影響えいきょうCCD表面ひょうめん的てき像ぞう素もと。天文學てんもんがく家か利用りよう快かい門もん的てき開ひらき闔，讓ゆずるCCD多た次つぎ曝光，取と其平均へいきん值以緩解かんかい干ひ擾效應おう。為ため去さ除じょ背景はいけい雜ざつ訊，要よう先さき在ざい快かい門もん關せき閉時取と影像えいぞう訊號的てき平均へいきん值，即そく為ため“暗くら场”（dark frame）。然しか後こう打開だかい快かい門もん，取得しゅとく影像えいぞう後ご減げん去さ暗くら框かまち的てき值，再さい濾除系統けいとう雜ざつ訊（暗くら點てん和亮かずあき點てん等とう等とう），得え到いた更さら清きよし晰的細ほそ節ぶし。

天文てんもん攝と影かげ所用しょよう的てき冷ひや卻CCD照あきら相しょう機き必須ひっす以接環たまき固定こてい在ざい成なり像ぞう位置いち，防止ぼうし外來がいらい光線こうせん或ある震動しんどう影響えいきょう；同時どうじ亦また因いん為ため大だい多數たすう影像えいぞう平臺ひらだい生來せいらい笨重，要よう拍はく攝と星ほし系けい、星雲せいうん等ひとし暗弱あんじゃく天體てんたい的てき影像えいぞう，天文學てんもんがく家か利用りよう“自動じどう導しるべ星ぼし”技術ぎじゅつ。大だい多數たすう的てき自動じどう導しるべ星ぼし系統けいとう使用しよう額がく外的がいてき不ふ同軸どうじくCCD監かん測はか任にん何なん影像えいぞう的てき偏へん移うつり，然しか而也有ゆう一些系統將主鏡接駁在拍攝用之CCD相しょう機上きじょう。以光學がく裝置そうち把わ主ぬし鏡きょう內部份星光こう加か進すすむ相しょう機き內另一いち顆CCD導しるべ星ぼし裝置そうち，能のう迅速じんそく偵測追つい蹤天體たい時じ的てき微小びしょう誤差ごさ，並なみ自動じどう調整ちょうせい驅動くどう馬うま達いたる以矯正誤せいご差さ而不需另外がい裝置そうち導しるべ星ぼし。

彩色さいしき相しょう機き

一般的彩色數位相機是將拜はい爾しか濾鏡加か裝そう在ざいCCD上じょう。每まい四よん個こ像ぞう素もと形成けいせい一いち個こ單元たんげん，一個負責過濾紅色、一いち個こ過か濾藍色しょく，兩個りゃんこ過か濾綠色みどりいろ（因いん為ため人じん眼め對たい綠色みどりいろ比較ひかく敏感びんかん）。結果けっか每まい個こ像ぞう素もと都と接收せっしゅう到いた感光かんこう訊號，但ただし色彩しきさい解析かいせき度ど不ふ如感光かんこう解析かいせき度ど。

用もちい三さん片へんCCD和わ分光ぶんこう稜りょう鏡きょう組成そせい的てき3CCD系統けいとう能のう將はた顏色かおいろ分ぶん得とく更さら好こう，分光ぶんこう稜りょう鏡きょう能のう把わ入射にゅうしゃ光こう分析ぶんせき成なり紅べに、藍あい、綠みどり三さん種しゅ色しょく光こう，由よし三さん片へんCCD各かく自負じふ責せめ其中一いち種しゅ色しょく光こう的てき呈てい像ぞう。所有しょゆう的てき專業せんぎょう級きゅう數すう位い攝と影かげ機き，和わ一部份的半專業級數位攝影機採用3CCD技術ぎじゅつ。

截至2005年ねん，超ちょう高こう解析かいせき度ど的てきCCD晶あきら片かた仍相當とう昂のぼる貴き，配備はいび3CCD的てき高だか解析かいせき靜態せいたい照あきら相しょう機き，其價位い往往おうおう超ちょう出で許多きょた專業せんぎょう攝と影かげ者しゃ的てき預あずか算さん。因よし此有些高檔相機き使用しよう旋轉せんてん式しき色彩しきさい濾鏡，兼けん顧高解析かいせき度ど與あずか忠實ちゅうじつ的てき色彩しきさい呈てい現げん。這類多た次つぎ成なり像ぞう的てき照あきら像ぞう機き只ただ能のう用よう於拍攝と靜態せいたい物品ぶっぴん。

相互そうご競爭きょうそう的てき科技かぎ

近年きんねん來らい，利用りよう互補金きん氧半導體はんどうたい（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）的てき製せい程ほど，已やめ能のう製造せいぞう實用じつよう的てき主動しゅどう像ぞう素もと感かん測はか器うつわ（Active Pixel Sensor）。CMOS是ぜ所有しょゆう矽晶片へん製作せいさく的てき主流しゅりゅう技術ぎじゅつ，CMOS感光かんこう元もと件けん不ふ但ただし造みやつこ價か低廉ていれん，也能將はた訊號處理しょり電路でんろ整合せいごう在ざい同どう一部いちぶ裝置そうち上じょう。CCD則そく有ゆう助じょ於濾除じょ背景はいけい雜ざつ訊，因いん為ためCMOS比ひCCD更さら容易ようい受雜訊干擾。這部份的困こま擾現已やめ漸やや漸やや解決かいけつ，這要歸き功こう於使用よう個別こべつ像ぞう素的すてき低てい階かい放ひ大器たいき取と代用だいよう於整片へんCCD陣列じんれつ的てき單一たんいつ高だか階かい放ひ大器たいき。CMOS感光かんこう元もと件けん跟CCD相しょう比ひ，耗電量りょう較低，數すう據よりどころ傳でん輸亦較快。於高解析かいせき度ど數すう位い攝と影かげ機き與あずか數かず位相いそう機き，尤ゆう其是片へん幅はば規格きかく較大的てき數すう位い單眼たんがん相しょう機き更さら常見つねみ到いたCMOS的てき應用おうよう，另外消費しょうひ型がた數すう位相いそう機き以及附ふ有ゆう拍はく照あきら功こう能のう的てき手て機き亦また開始かいし使用しよう背面はいめん照射しょうしゃ式しきCMOS，使つかい成なり像ぞう質量しつりょう得とく以提升ます。CMOS於成像ぞう的てき技術ぎじゅつ日び趨成熟せいじゅく下か大幅おおはば普及ふきゅう，使つかいCCD的てき佔有率りつ從したがえ2010年代ねんだい起おこり不斷ふだん下降かこう，全ぜん球たま最大さいだい的てきCCD生產せいさん商しょう索さく尼あま更さら宣せん佈於2017年ねん停止ていし生產せいさんCCD，但ただし是ぜ高級こうきゅう相しょう片かた掃描器き以及軍ぐん方かた器材きざい仍然為ためCCD所しょ壟斷ろうだん。

獲え頒2009年ねん諾だく貝かい爾なんじ物理ぶつり學がく獎

CCD的てき發明はつめい，令れい威い拉ひしげ德とく·博はく伊い尔和わ喬たかし治ち·史し密みつ斯與あずか發明はつめい光ひかり纖的てき高こう錕分ぶん享とおる2009年ねん諾だく貝かい爾なんじ獎。諾だく貝かい爾なんじ獎評審しん委員いいん會かい宣せん稱たたえ，三人的發明有助於建立今日網絡世界的基礎，為ため今日きょう的てき日常にちじょう生活せいかつ創立そうりつ許多きょた革新かくしん，也為科學かがく的てき開拓かいたく上じょう提供ていきょう了りょう工具こうぐ。

參まいり閱

• 图像传感器き
  • CMOS
  • Foveon X3
  • Super CCD
• 攝と錄ろく機き
• 數かず位相いそう機き
• 數すう位い攝と影かげ
• 計算けいさん機き視覺しかく
• 自動じどう光學こうがく檢けん查

外部がいぶ連結れんけつ

• Bayer masks （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）