電荷耦(ou)合(he)器件(jian)，它是一種用于探測(ce)光的(de)硅片，由時鐘脈(mo)沖電壓(ya)來產生和(he)控制半導體(ti)勢阱的(de)變化，實現存儲和(he)傳(chuan)遞(di)電荷信息的(de)固態電子器件(jian)。這種器件(jian)我們平時接觸不多，但(dan)還是有必要了解一下(xia)相(xiang)關的(de)知識(shi)，本(ben)文將來科普電荷耦(ou)合(he)器件(jian)的(de)工作原理和(he)應(ying)用。

　　一(yi)、電荷(he)耦合器件工作原理

　　電荷耦合器件（CCD）是一種集成(cheng)電路，有許多排列整齊的電容，能感應光線(xian)并將影像轉變成(cheng)數(shu)字(zi)(zi)信號，每(mei)個小(xiao)電容能將其(qi)(qi)所帶的電荷轉給它相鄰的電容，廣泛應用在數(shu)字(zi)(zi)攝(she)影、天文學，尤其(qi)(qi)是攝(she)影測量(liang)學、光學與頻譜望遠(yuan)鏡，和高速(su)攝(she)影技術如幸運(yun)成(cheng)像。

　　CCD是一種半導體裝置，能夠把光學影像轉化為數字信號，CCD上植入的(de)微小光敏物(wu)質稱作像素(su)，一塊(kuai)CCD上包含的(de)像素(su)數越多，其提供(gong)的(de)畫(hua)面分辨率也就越高。

　　CCD的(de)(de)作用(yong)(yong)就像(xiang)(xiang)(xiang)膠片一樣，但它是把圖像(xiang)(xiang)(xiang)像(xiang)(xiang)(xiang)素轉換成數字信號，CCD在攝(she)(she)像(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)(ji)、數碼相機(ji)(ji)(ji)(ji)和掃描儀(yi)中(zhong)(zhong)應用(yong)(yong)廣泛(fan)，只(zhi)不過(guo)攝(she)(she)像(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)(zhong)使(shi)用(yong)(yong)的(de)(de)是點陣CCD，即包括x、y兩(liang)個(ge)方(fang)向用(yong)(yong)于攝(she)(she)取平面圖像(xiang)(xiang)(xiang)，而掃描儀(yi)中(zhong)(zhong)使(shi)用(yong)(yong)的(de)(de)是線(xian)性CCD，它只(zhi)有x一個(ge)方(fang)向，y方(fang)向掃描由(you)掃描儀(yi)的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)(ji)械裝置來完成。

　　CCD的(de)加(jia)工(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)有(you)兩種(zhong)，一種(zhong)是(shi)TTL工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)，一種(zhong)是(shi)CMOS工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)，現(xian)在市場上所說(shuo)的(de)CCD和(he)CMOS其實都(dou)是(shi)CCD，只不(bu)過(guo)是(shi)加(jia)工(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)不(bu)同，前者是(shi)毫安級(ji)的(de)耗(hao)電(dian)量，二后者是(shi)微安級(ji)的(de)耗(hao)電(dian)量，TTL工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)下的(de)CCD成像(xiang)質量要優于CMOS工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)下的(de)CCD。

　　電荷(he)耦合器使用一(yi)種高感(gan)光度(du)的(de)半(ban)導體材(cai)料制成(cheng)，能把(ba)光線轉(zhuan)變成(cheng)電荷(he)，通過模數(shu)轉(zhuan)換(huan)器芯片(pian)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)數(shu)字信號(hao)，數(shu)字信號(hao)經過壓縮以(yi)后由相機(ji)(ji)內(nei)部的(de)閃速存儲(chu)器或內(nei)置(zhi)硬盤(pan)卡保(bao)存，因而(er)可以(yi)輕而(er)易舉地把(ba)數(shu)據傳輸給計算(suan)(suan)機(ji)(ji)，并借(jie)助于計算(suan)(suan)機(ji)(ji)的(de)處理手段，根據需要和想像(xiang)來(lai)修改圖(tu)像(xiang)。

　　CCD由許多感光(guang)(guang)單(dan)位(wei)組成，通常以百萬像素(su)為(wei)單(dan)位(wei)，當CCD表面受到光(guang)(guang)線照射時，每個(ge)感光(guang)(guang)單(dan)位(wei)會(hui)將電荷(he)反映在(zai)(zai)組件(jian)上，所有的感光(guang)(guang)單(dan)位(wei)所產(chan)生(sheng)的信號加在(zai)(zai)一起，就(jiu)構成了(le)一幅完(wan)整的畫面。

　　二、電荷耦合器件的應(ying)用(yong)

　　電荷耦合器件(jian)可在不同(tong)領域找到(dao)應(ying)用，包括(kuo)：

　　1.生命科學：

　　基于CCD的(de)(de)探測器和相機用于生命科學和醫學領域的(de)(de)各種成像(xiang)(xiang)應用和系統。該領域的(de)(de)應用非常(chang)廣(guang)泛，無法一一列舉，但一些(xie)具體的(de)(de)例(li)子包(bao)括拍攝(she)應用了對比增強的(de)(de)細胞圖像(xiang)(xiang)的(de)(de)能力，收集摻雜了熒光團的(de)(de)圖像(xiang)(xiang)樣本(ben)(ben)的(de)(de)能力（這會導致樣本(ben)(ben)發出(chu)熒光））并用于先(xian)進(jin)的(de)(de)X射線斷(duan)層掃描系統，以(yi)對骨骼結構和軟組(zu)織樣本(ben)(ben)進(jin)行成像(xiang)(xiang)。

　　2.光學(xue)顯微鏡(jing)：

　　雖然生(sheng)命科(ke)學領(ling)域的應(ying)用包括在顯(xian)微(wei)鏡(jing)中的應(ying)用，但需要(yao)注意的是(shi)，顯(xian)微(wei)鏡(jing)應(ying)用不僅限于生(sheng)命科(ke)學領(ling)域。各種類型的光學顯(xian)微(wei)鏡(jing)被(bei)用于其他有說服(fu)力(li)的領(ling)域，如；納米技術工程(cheng)、食品科(ke)學和(he)化(hua)學。

　　在大多數顯(xian)微鏡(jing)應用中，使用CCD是因為它具有(you)低噪聲比(bi)、高靈(ling)敏(min)度、高空間分(fen)辨率和快速(su)樣品成像，這對于(yu)分(fen)析微觀水平上發(fa)生的反應非常重要。

　　3.天文學：

　　在顯微(wei)(wei)鏡中，CCD用于(yu)對微(wei)(wei)小元素進行(xing)成(cheng)像(xiang)，但在天文(wen)(wen)學中，它用于(yu)聚焦大型和遙遠物(wu)體的圖像(xiang)。天文(wen)(wen)學是(shi)CCD最早的應用之一，恒星(xing)、行(xing)星(xing)、流星(xing)等物(wu)體都(dou)已使(shi)用基于(yu)CCD的系統進行(xing)成(cheng)像(xiang)。

　　4.商用相機：

　　低成(cheng)本(ben)CCD圖像傳感器用于商業相(xiang)機。由于商用相(xiang)機的(de)低成(cheng)本(ben)要求，與(yu)天文學和生命科學中(zhong)使用的(de)CCD相(xiang)比，CCD的(de)質量(liang)和性能通常較低。

　　電(dian)荷耦合(he)器件技術(shu)優點顯著(zhu)，包括高靈敏性、高分辨率(lv)、穩定(ding)性和(he)可靠性，在(zai)越來越多的自動(dong)化和(he)高端技術(shu)應用中，CCD技術(shu)將(jiang)繼續扮演重(zhong)要(yao)角色，不斷提升人們(men)的生活(huo)和(he)工作效(xiao)率(lv)。