CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式维纳德?波利（左）和乔治?史密

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维纳德?波利（左）和乔治?史密斯（右）在1969年发明了CCD技术
来源：文献[1]
2009年，维纳德?波利（WillardS.Boyle）和乔治?史密斯（GeorgeE.Smith）因为发明CCD（Charge-coupledDevice ，电荷耦合元件，或称为CCD图像传感器）而获得当年的诺贝尔物理学奖。
诺贝尔奖委员会主席约瑟夫·诺德格伦（JosephNordgren）在宣布该奖项的新闻发布会上说：“当今社会的记录影像的方式完全基于CCD的研究。 ”“这项研究的实际意义是巨大的……它改变了我们的生活，不仅在科学领域，而且在整个社会领域。 ”
胶片时代
在1975年数码相机发明以前，人们记录影像的方式是使用胶片。它的工作过程可以概述为：光线经过照相机镜头，然后由快门的速度来决定曝光量的多少。光线使胶片上的银盐产生化学反应，最后在胶片上生成影像的潜影。经过暗房里的冲洗形成影像并制成底片。利用调配将底片显影最终印出。

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胶片摄影需要经过复杂的处理才能得到影像
[图片来源自网络]
CCD的发明
1969年10月，史密斯和波利在贝尔实验室吃午餐时，讨论产生了灵感。午餐后继续探讨，当天就构想出了CCD这个无处不在的成像发明。不过，从造出样机到研制出科学家和摄影师都可以使用的实用技术，这条路漫长而艰难。尽管CCD后来主宰了天文学领域，但它在刚发明时分辨率非常低，根本派不上实际用场。当时CCD的信噪比很差，不大容易看得出它是否会有远大的前程。

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第一个CCD器件
来源：文献[4]

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第一个CCD集成器件
来源：文献[4]

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早期的线性成像CCD
来源：文献[4]
在接下来的时间里，成百上千的科学家和工程师努力奋斗，逐步将CCD推向实用化，包括美国的仙童(Fairchild)、柯达泰克(Tektronix)和德州仪器(TexasInstruments ， TI) ，以及日本的夏普(Sharp)、索尼(SONY)、东芝(Toshiba)和日本电气(NEC)等公司都作出了许多贡献。航天、科学和消费等方面的应用，都得益于为解决CCD问题而从不同渠道投入的经费，但是问题还是很棘手，那是一条非常艰苦的发展之路。
CCD的原理
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel) 。像素数越高,面积越大,成像质量就越高越清晰。 CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线、储存信号并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给相邻的图像处理器来形成图像。
MOS电容器是构成CCD的最基本单元，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。

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MOS电容器
来源：文献[4]
CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测：
（1）信号电荷的注入（产生）：在CCD中，电荷注入的方式可分为光注入和电注入两类。当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。