CCD技术的发展历程
1.CCD技术要点
CCD是具有自动扫描功能的图像传感器,其特点是以电荷为信号,而非电流或电压,工作过程主要是信号电荷的产生、储存、传输和检测。CCD分为线型(linear)与面型(area)两种,其中线型CCD应用于T影像扫描器及传真机,面型CCD主要应用于数码相机(DSC)、摄录影机等多项影像输入产品。[21]CCD的结构就像一排排输送带上并列放置的小桶,光线如同雨滴落进各个小孔中,每个小孔代表一个“像素”,以索尼公司目前采用的方式为例,CCD单元结构如图5-6(a)所示,其应用过程如图5-6(b)所示,通过贴片微型镜片使入射光高效、集中进入,通过彩色过滤膜区分各种入射光色彩再进入传感器,由传感器将入射光转换为电荷信号。利用电荷量测量小孔内落进了多少“光滴”,并形成相应的数据文件。[22]CCD工作原理如图5-6(c)所示。
图5-6 索尼CCD单元结构、应用过程以及CCD工作原理
2004年6月,日本索尼公司首次发布107万像素的小型家用摄像机,其中,动画和静止各采用了三个CCD镜头设计,动画摄像采用69万像素,静止画面摄像采用100万像素。
CCD图像传感器实际上只能记录光线的灰度,也就是说,它只能记录光线的强弱,却没有办法分辨颜色。目前,彩色CCD主要的解决方式是在每一个光电二极管上都采用滤光片,只让特定颜色的光线通过,使对应的光电二极管只能记录相应单色光,从而获得了颜色信息。[23]索尼公司通过添加E滤镜,达到增加蓝绿色系来抵消黄红色系的目的。E滤镜的作用不同于单纯的绿色滤镜,它对色彩搭配的作用远远超出传统彩色滤镜中所拥有的两倍绿色滤镜。四色滤光CCD和全新处理器相结合,使色彩还原的准确度提升一倍,得到的颜色特性非常接近人眼,特别是对青绿色和红色系的颜色表现力大大提高。除此之外,还有诸如微透镜(micro lens)技术、HAD(一种传感器)CCD技术、VPmixCCD(垂直混合CCD)技术、空间偏执技术、电子快门技术、清晰扫描技术、电子色温校正等新技术的接连出现与应用,都加速了CCD图像传感器技术的更新换代。[24]比较典型的有超级CCD采用八角形(光电二极管)像素,一般由微透镜阵列、RGB滤波器和光电二极管阵列组成。[25]八角形的蜂窝状布局可以有效地吸收光能,提高了感光度和信噪比,动态范围也得到扩大。配合专为蜂窝形结构设计的LSI信号处理器,超级CCD比普通CCD的分辨率提高了60%,如190万像素的超级CCD的性能相当于具有300万像素的普通CCD。
CCD的关键技术问题是单位像素的面积需越小越好,同时,单位面积的敏感度越高越好。20世纪70年代开始致力于CCD开发的日本索尼公司,通过各种技术累积,单位像素的面积呈现缩小趋势,单位面积的敏感度呈现提高趋势。[26]索尼公司CCD技术的进展如图5-7所示。
图5-7 索尼公司CCD技术的进展
2.技术突破和数码产品运用的历程
CCD直到20世纪90年代以后,才作为成熟的技术得到大量运用。从开发初期到大量运用期间,CCD的实际发展过程经历了以下几个阶段。[27]
第一阶段:萌芽期——20世纪70年代。
1970年,CCD发明(贝尔)。
1975年,3CCD(228×224像素)彩色照相机开发(NHK,NEC)。
1978年,11万像素CCD照相机开发(索尼)。
1979年,黑白CCD照相机商品化(松下)。
在这一时期,从美国贝尔公司提出CCD发明以后,日本相关公司致力于CCD的开发,1979年开始商品化的起步。
第二阶段:开拓期——20世纪80年代。(https://www.daowen.com)
1980年,彩色CCD照相机商品化,运用到飞机内拍摄(索尼)。
1981年,感光二极管CCD开发(NEC)。
1982年,FIT方式CCD开发(索尼)。
1984年,2/3型25万像素低拖尾CCD商品化(索尼)。
1985年,8mm CCD家用录像机实用化(索尼)。
1987年,低拖尾可变速电子快门搭载的2/3型38万像素IT-CCD开发(索尼)。
1989年,微透镜(micro lens)搭载的1/238万像素IT-CCD开发成功,护照尺寸的家用摄像机CCD-TR55型投放市场(索尼)。
在这一阶段,摄像机、照相机的商品化要求CCD数码化技术水平提高,产品为一般家庭用,感光二极管构造、IS-IT方式的CCD技术确立。
第三阶段:发展期——20世纪90年代。
1990年,HD电视用1型200万像素CCD开发成功(索尼)。
1992年,HD电视用2/3型200万像素CCD开发,家用录像机1/3型38万像素成为主流产品(索尼)。
1993年,1/4型CCD实用化,扫描CCD登场(索尼)。
1996年,2/3型150万正方像素扫描CCD开发(索尼)。
1997,Super HAD CCD开发;1/6型25万像素CCD开发(索尼)。
1998年,EXview HAD-远红外线CCD商品化(索尼)。
这一阶段是CCD技术的快速发展阶段,通过20世纪80年代家用摄像机和照相机的普及,高清(HD)产品开始出现,业务用和家庭用的各种摄像机和照相机几乎全部采用CCD,摄像管只有在超高敏感度的部分特殊产品中使用。1995年以后,CCD的数码化摄像、照相器材摆脱了电视信号格式,远红外线CCD等可视光线以外领域的摄像装置也开始实用化。1999年,CCD累计生产数达到1亿个。
第四阶段:普及期——2000年以后。
在这一时期,各种用途的CCD摄像、照相装置开始进入百万级像素的时代,像素以百万级单位不断刷新提高,成为理所当然的产品技术进步的标志。CCD不断小型化,在各种领域不断拓展,如高端的单眼照相机领域也开始使用CCD。2011年,全球数码相机的销售数额达到1.3亿台,防抖动、高速摄影、宽屏幕、人脸识别、3D成像等各种软件技术也随之发展,形成了数码化的多彩世界。2000年,夏普首次把CCD照相运用到手机领域,和日本电信运营商J-phone发布了全球首款内置11万像素CCD摄像头的手机,至2010年该手机已经在手机市场销售达16亿台。[28]
