伴随着数码相机、带有摄像头的手机等电子设备风靡全球,人类已经进入了全民数码影像的时代,每一个人都可以随时、随地、随意地用影像记录每一瞬间。带领我们进入如此五彩斑斓世界的,就是美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯发明的CCD(电荷耦合器件)图像传感器。

百多年来,伴随着暗箱、镜头和感光材料制作不断取得突破,以及精密机械、化学技术的发展,照相机的功能越来越强大,使用越来越方便。

但是,直到几十年前,人们依然只能将影像记录在胶片上。拍摄影像慢慢普及,但即时欣赏、分享、传递影像还非常困难。1969年,博伊尔和史密斯极富创意地发明了一种半导体装置,可以把光学影像转化为数字信号,这一装置,就是CCD图像传感器。

CCD图像传感器的发明,实际上是应用爱因斯坦有关光电效应理论的结果,即光照射到某些物质上,能够引起物质的电性质发生变化。但是从理论到实践,道路却并不平坦。科学家遇到的最大挑战,在于如何在很短的时间内,将每一个点上因为光照而产生改变的大量电信号采集并且辨别出来。

经过多次试验,博伊尔和史密斯终于解决了上述难题。他们采用一种高感光度的半导体材料,将光线照射导致的电信号变化转换成数字信号,使得其高效存储、编辑、传输都成为可能。简单地说,CCD图像传感器就像是胶片一样,有了它,人们就再不用耗时费力地去冲洗胶片了。

CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。作为摄像器件,与摄像管相比,CCD图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。

CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机外,还广泛应用于摄像机、扫描仪,以及工业领域等。此外,在医学中为诊断疾病或进行显微手术等而对人体内部进行的拍摄中,也大量应用了CCD图像传感器及相关设备。

CCD是数码相机的电子眼,它革新了摄影术,光可以被电子化地记录下来,取代了胶片。这一数字形式极大地方便了对图像的处理和发送,"诺贝尔奖评选委员会称赞说,"无论是我们大海中深邃之地,还是宇宙中的遥远之处,它都能给我们带来水晶般清晰的影像。"

CCD图像传感器已成为摄录一体机、打印机、传真机、摄像机、数码相机、扫描仪、数字摄像机和多媒体系统的核心部件。

在世界已进入信息时代的今天,以数字化、计算机、通讯、电视和多媒体为主要特征的信息革命正在兴起。作为视觉传感器的CCD摄像器件,在光电图像信息获取与处理中起着极其重要的作用。CCD图像传感器的市场十分广阔,前景十分看好。

CCD图像传感器经过近30年的发展,已经成熟并实现了商品化。CCD图像传感器从最初简单的8像元移位寄存器发展至今,已具有数百万至上千万像元。由于CCD图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景,因此,国际上在这方面的研究工作进行得相当活跃,美国、日本、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯、南韩等国家均投入了大量的人力、物力和财力,并在CCD图像传感器的研究和应用方面取得了令人瞩目的成果。美国和日本的器件和整机系统已进入了商品化阶段。

中国CCD图像传感器的研制工作也在稳步地进行。第一代普通线阵CCD图像传感器(光敏元为MOS结构)和第二代对蓝光响应特性好的(光敏元为光电二极管阵列)CCPD均已形成128、256、512、1024、1728、2048、2500像元的系列产品,在实验室已做出了3456、4096像元的CCPD样品;面阵CCD图像传感器已研制出32×32、75×100、108×108、150×150、320×230、256×320、512×320、491×384、580×394、512×512、600×500、756×581、800×800像元器件。在实验室已研制出了1024×1024,2048×2048像元的器件,基本上形成了系列化产品。随着器件性能的改进,CCD摄像机也将得到迅速发展。

除可见光CCD图像传感器外,中国还研制出了线阵64、128、256、1024像元和面阵32×64、128×128、256×256像元硅化铂肖特基势垒红外CCD(Ptsi桽BIR CCD)。中国正在研制和开发的CCD有:512×512像元X射线CCD、512×512像元光纤面板耦合CCD像敏器件、512×512像元帧转移可见光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024像元X射线CCD、 512×512像元PtSi桽BIR CCD、微光CCD和多光谱红外CCD等。但由于受经费、设备等因素影响,中国CCD图像传感器的研究进展尚不够迅速,还没有生产能力,与国际先进水平相比差距很大。就CCD的应用潜力而言,也最多不过发挥了1%左右。据悉,信息产业部下属研究所已从美国和俄罗斯引进可见光和红外CCD芯片生产线并开展试验工作,这将大大促进中国CCD芯片的产业化进程。

2009年10月6日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2009年诺贝尔物理学奖授予华人科学家高锟以及两名美国科学家韦拉德-博伊尔(Willard Boyle)和乔治-史密斯(George Smith),以奖励他们在光纤和半导体领域上的开创性研究。他们将分享1000万瑞典克朗(约合140万美元)的奖金。其中高锟将获得一半的奖金,另外两名获奖者各得四分之一的奖金。高锟的获奖理由为——"在光学通信领域光在光纤中传输方面所取得的开创性成就"。两位美国科学家的获奖理由为——"发明了一种成像半导体电路,即CCD(电荷耦合器件)传感器"。