CCD传感器的出现
在信息化时代,数字化的计算机、通信、电视和多媒体已成为主要特征,作为视觉传感器的电荷耦合器件是摄像器件中光电信号处理的关键数码化元件之一,光电图像信息获取与处理为信息革命的兴起起到了至关重要的作用。自1970年美国贝尔公司开发第一个CCD以来,在经过多年的起伏之后,于1995年开始进入产业阶段。其中,美国首先提出可视电话和储存卡的技术设想,但之后一度放弃开发,由日本的相关企业经过多年的努力引入市场机制,从而引发CCD技术革命。[16]
和LCD不同,CCD作为一种辅助元件,在数码化技术中起到承上启下的作用,开辟了数码化的时代,它的出现和发展经历了技术和市场突变的历史过程。
CCD的发明者博伊尔(W.Boyle)和史密斯(G.E.Smith)于2009年获得了诺贝尔物理学奖。和许多诺贝尔获奖者需要经历相当长的研究时期而获得成果不同,他们的这项发明只是“瞬间”的结果。1964年,IBM公司开发了S/360计算机。1969年,贝尔公司从磁性储存卡中的记忆方式获得启发,提出利用半导体材料开发的设想,Boyle和Smith只用了1h的实验就完成了发现电荷信号在电极下的输送现象,成为一个偶然的“瞬间发明”。[17]1970年4月,贝尔公司在《贝尔系统技术》杂志上发表了该论文。20世纪70年代初,在投资了5亿美元后,贝尔公司为了致力于可视摄像管和电话等的开发,放弃了作为图像传感器的CCD开发项目。之后,美国RCA等公司依然开发CCD,但是CCD没有进入民用市场。日本索尼公司从20世纪70年代开始,利用半导体制造方法,极大地改进了CCD的敏感度和画质,并提高了解像度,终于于1985年开发出25万像素的CCD并将其运用到8mm摄像机上,同时奥林巴斯利用CCD开发了内视镜。之后,日本多家公司均投入CCD开发和产品化,主要集中在民用产品领域,如索尼、东芝、松下、滨松、夏普、三洋、富士、奥林巴斯等公司都能进行批量生产。日本在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界第一位,尤其是在CCD摄像机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备方面,基本上包揽了全世界的大部分市场。1998年,日本采用拼接技术成功开发了16384×12288像素的CCD图像传感器。日本的新产品更新换代速度很快,正以惊人的速度研制和开发各种新型的CCD图像传感器。[18]
被称为“电子眼”的CCD经过20世纪90年代的发展,取得了大量令人瞩目的成果。美国是世界上最早开展CCD研究的国家,也是目前投入人力、物力、财力最多的国家,在应用研究尤其是军用领域一直保持绝对领先的地位。大尺寸和高分辨率是军事应用考虑的首要条件,贝尔实验室在CCD像感器及电荷域信号处理方面的研究保持领先优势。麻省理工学院林肯实验室、宇航局喷气推进研究室、罗姆空间发展中心以及SRI David Sarnoff研究中心在CCD及其应用等方面的研究保持着雄厚的实力。加拿大的Dasla公司、法国的汤姆逊无线电公司(CSF)、英国电子阀门公司(EEV)、英国通用电气公司(GEC)和荷兰的菲利普公司在CCD技术的研究开发方面取得的成果也很显著。Dasla公司于2007年宣布成功研发世界最高分辨率的CCD,达到10560×10560,用于美国海军天文台(USNO)。[19]而日本则由索尼为代表,研究开发集中在民用CCD的领域。(https://www.daowen.com)
值得关注的是,20世纪80年代出现、20世纪90年代开始发展的互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)图像传感器具有功耗小等特点,和CCD展开了竞争。CCD光电传感器在灵敏度、分辨率以及噪声控制等方面均优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异似乎有逐渐缩小的态势,例如CCD传感器持续在耗电量上进行改进,以期应用于移动通信市场;CMOS传感器则持续改善分辨率与灵敏度的不足,以期应用于高端影像产品市场。[20]由于同CMOS图像传感器相比,CCD功耗过大,所以各大CCD制造厂家也都在尽力降低它的工作电压,以使其功耗有所下降。图像传感器家族不断涌现出后起之秀,其中CMOS被许多业界人士认为是取代CCD的新一代图像传感器材料。目前虽然CMOS具有CCD无法相比的低成本、低功耗以及高整合度的特点,但是在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面与CCD还有很大的差距。CCD占领高端市场,CMOS占据低端市场。此外,采用更新的制作工艺来追求高的成品率,以降低它的生产成本,也是CCD图像传感器发展的一个重要方向。
图像传感器技术的数码化过程如图5-5所示,1995年开始,由于CCD在数码照相机上的大量使用成为可能,加上CMOS的介入,光电图像处理正式进入数码化时代。
图5-5 图像传感器技术的数码化过程
