一.前言

CCD(Charge Coupled Device:電荷耦合元件)是一種類似積體電路(IC)的半導體電子元件.主要的功能可以把光轉換成電,而電的信號經過各式的電路就可以成為數信號,配合現今發展蓬勃的電腦加以處理,便可以有多樣化的影像出現.目前日常生活中己到處可見CCD的蹤影,諸如:大樓監視器,攝影機(V8),傳真機,掃瞄器,以及愈來愈紅的數位相機...等(連哈柏太空望遠鏡上也有).近年來出現了類似的元件,CMOS Image Sensor(互補式金氧半導體影像感應器),主要是要做出影像品質更好,線路整合度更高,生產成本更低的產品,但仍有許多問題要克服.但不可置否的,CCD這類的感光元件己和人類的生活密不可分.

二.CCD和傳統相機的比較

CCD的解像力決定於像素(pixel)的多寡,愈多則影像解析度愈高.傳統相機的底片(35mm的底片,35×24mm2)上約有2500萬個像素,每個像素等效大小約6um2;而CCD的像素數目,以柯達KAF-1600為例,晶片面積為13.8×9.2mm2有1536×1024個像素己經是目前高級產品的規格.受限於目前半導體產業的製作技術,更小像素,更大的晶片不易製作.另外從數位信號儲存的觀點來看,若每一像素有16bit的A/D(Analog/Digital:類比/數位轉換)來計算,若有傳統底片2500萬像素的CCD影像,則影像所佔的資料量約48MB,相當驚人!

三.幾項重要指標

1. 高量子化效率(high quantum efficiency):光子轉換成電子的效率

2. 寬廣的頻譜(wide spectral range):可應用在各波段的觀測.

3. 低暗電流(low dark current):暗電流是雜訊的主要來源之一,只要CCD的工作溫度不夠低,即使沒有照光,也會有電流產生.

4. 低讀出雜訊(low read noise)

5. 高電子傳輸效率(high charge transfer efficiency):電子在傳送到外部線路的過程會發生損失,傳輸效率愈高愈好.

6. 良好的線性(good linearity):光進入感光元件轉換成電流輸出的關係必須成線性.

7. 大的動態範圍(large dynamic range):最暗到最亮的光線對應到的電子數目差愈大,愈能夠用在數位信號的分析上.

四.雜訊的來源

1. 暗電流(dark current):可用冷卻(cooling)或拍對照組(dark frame)解決

2. 讀出雜訊(readout noise):由電路所產生的雜訊

3. 各元件感光度不同:因為各個元件經過複雜的製作過程後不可能完全相同,故同樣的光量進入感光元件之後,不會轉換成同樣的電子.為了彌補這缺點,可以在使用前先在薄暮時的天空下(光度均勻)做平場校正

五.評估或購買CCD應注意什麼

1. 像素大小(pixel size),晶片大小(chip size),每像素對應的位元數(bits per pixel)

2. 快門(shutter):拍太亮的星體(如:行星,月亮)要使用.

3. 冷卻(cooling):在-80℃時,暗電流可忽略,而溫度每上升8℃,暗電流便上升一倍.(使用液態氮)

4. 防止電子溢流(anti-blooming):當進光量過大,光子所轉換成的電子數會過多,超過原本單一元件所能包含的,於是多的電子會往四周的pixel溢流.為了防止這種現象,有些產品甚至降低對光的靈敏度(sensitivity).此外,使用者在拍攝過亮的星體,可分別對其作短時間的曝光好幾張,再利用影像處理軟體去合成影像.

5. 頻譜範圍

六.結論

有了CCD這類感光元件,不僅使學術研究多了一項利器,人類的生活也肯定會因此更多彩多姿.更新,更有用的各項發明正等待著各位去創造!希望大家在學習的過程中,要知其然,更要知其所以然,千萬便為了小小的考試胡亂死記,破壞了各位寶貴的創造力哦~~~