電荷耦合器件 (Charge Coupled Device,CCD）是一種半導(dǎo)體器件，它的基本單元是 MOS 電容器，器件中的所有基本單元電容器依次排列。當(dāng)對(duì)某個(gè)MOS單元電容器施加電壓時(shí)，單元上的電荷包能夠逐次轉(zhuǎn)移。圖像傳感器是 CCD的一種成功應(yīng)用。CCD 的工作原理是，首先在一個(gè)稱為光敏區(qū)的區(qū)域搜集由光電效應(yīng)等方式產(chǎn)生的電荷，然后將其轉(zhuǎn)移到一個(gè)可以對(duì)電荷進(jìn)行讀出與處理的區(qū)域，最終通過外圍電路進(jìn)行信號(hào)輸出以供后續(xù)傳輸和處理。

CCD 于 1969年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Willard S. Boyle 和 George. E. Smith 共同發(fā)明。從20世紀(jì)80年代以后，索尼公司逐步成為最大的 CCD 供應(yīng)商。電子倍增 CCD (Electron Multiplying CCD, EMCCD）在讀出寄存器和輸出放大器之間加入了增益奇存器，使得電子在轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生 “撞擊離子化效應(yīng)”，產(chǎn)生新的電子，實(shí)現(xiàn)了電子倍增。EMCCD 的信噪比較普通 CCD 獲得了較大提高，特別適合在單光子探測、活細(xì)胞顯微觀察、細(xì)胞熒光成像等低光照條件下應(yīng)用。

早期的 CCD 采用正照方式工作，即光從正面入射，經(jīng)過多晶硅電極及介質(zhì)層，在芯片內(nèi)部半導(dǎo)體材料中被吸收并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于入射光子要通過多晶硅材料，而多晶硅材料強(qiáng)烈吸收短波長的光，這樣將會(huì)導(dǎo)致入射光強(qiáng)的損失，從而致使 CCD 量子效率下降。經(jīng)過改進(jìn)的背照式 CCD，光從芯片背面一側(cè)進(jìn)入，不通過多晶硅電極，從而能提高 CCD 的量子效率。背照式 CCD 能夠在低照度條件下完成目標(biāo)攝像，在目標(biāo)偵測、定位導(dǎo)航、資源勘查、環(huán)境監(jiān)測等航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

時(shí)間延遲積分 （Time Delay Integration， TDI) CCD 是面陣結(jié)構(gòu)，以線陣方式工作，它具有光響應(yīng)靈敏度高、信噪比高、能消除像移和可選擇 TDI級(jí)數(shù)來控制曝光時(shí)間等特點(diǎn)，是星載、機(jī)載遙感相機(jī)圖像獲取和目標(biāo)識(shí)別的核心器件。目前世界上航空航天領(lǐng)域中的遙感相機(jī)大都采用 TDI CCD。

與真空攝像管、熱釋電管和硅攝像管相比，CCD 具有體積小、質(zhì)量小、功耗低、壽命長、靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、可全局快門成像等優(yōu)點(diǎn)，是圖像傳感器領(lǐng)域的一次革命性突破。CCD 曾一度在安防監(jiān)控、數(shù)碼相機(jī)等民用市場得到廣泛應(yīng)用，但是隨著 CMOS 圖像傳感器技術(shù)的出現(xiàn)，在民用市場 CCD 逐步讓位于 CMOS 圖像傳感器。當(dāng)前 CCD 在軍事、航天和天文觀察等專業(yè)領(lǐng)域仍有一定應(yīng)用。

審核編輯：劉清