凭借着在发明电荷藕合器件图像传感器(charged-coupled device)所做出的贡献，
两位美国科学家维拉·博伊尔（Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George E. Smith）
获得了2009年的诺贝尔物理学奖。

而我们所熟悉的CCD这个词，更多来自于我们常用的数码产品上，
人们把数码相机或是数码摄像机感光的元器件称为CCD。
但就是这么一个不起眼的芯片，却建立在巨大的研发投入和无数科学家的心血上，
而从诞生起它也有40年的不平凡历史了。

在CCD被发明之前，除了利用胶片来记录影像，电视摄像机大都使用摄像管。
但是各种类型的摄像管有很多与生俱来的弊病，在成像质量上，小型化等方面难以满足人们的要求，
毕竟大多数人都不乐于扛着一个“大家伙”拍东西，于是固态影像传感器的需求应运而生，

而CCD就是其中之一。

视像管Vidicon_tube（摄像管的一种）

讲到 CCD的诞生，要提到一位大名鼎鼎的科学家，
也就是20世纪最伟大的科学家爱因斯坦。
他成功的解释了光电效应并获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦提出了光量子假说，即光是由一个个光量子组成的，光的能量是不连续的，
每个光量子的能量要达到一定数值，才能从金属表面打出电子来。
这解释了光电效应，同时给CCD提供了理论上的铺垫。
爱因斯坦构建了光与电的桥梁，而后来CCD的发明，正是应用了光电效应理论的结果。

单单有了理论基础是不够的，科学家们所遇到的难题是如何在很短的时间内，
将传感器每一个点上因为光照产生变化的大量电信号采集和辨别出来。
在当时那个时期，博伊尔和史密斯都在贝尔实验室工作。

两位科学家从同时在贝尔实验室研究的影像电话（picture phone）和
半导体气泡式记忆体（semiconductor bubble memory）得到启发，
把这两种技术结合了起来，得到了CCD的雏形，这种装置被他们称做电荷气泡元件。
一开始这种元件是作为存储设备来使用的，但很快他们想到如果采集的不是简单的电荷，
而是由光由光电效应所产生的，那岂不是能记录下影像信号？

鲍伊尔和史密斯 这种设想确立了他们的研究方向，
终于在1969年10月17日，他们成功的概括了CCD的基本结构，
定义了运行原理，并给出了包括电路在内的完整设计。
CCD使用密排的MOS电容阵列，利用势阱捕获电子的工作方式。
这种MOS结构是在一块P型或者N型单晶硅上扩展一层二氧化硅，
然后再在上面扩散一层射类似光电二极管的PN结而来的。PN结用于接收光子辐射。
在MOS电容阵列的外围扩散不同的绝缘层和沟道，就形成了密布在单晶硅上的CCD单元。

当然组成完整的CCD 集成电路还包括电源与引线。
当光线射入的时候，基于光电效应，如果光子的能量处于带隙时，
光子通不过晶体，被晶体的电子吸收。
如果拍摄的场景够明亮，而能量大于CCD单元材料带隙的光子会被半导体吸收，
激发出光生电子孔穴对。
光生多子通过半导体衬底流走，
光生少子却被表面的深耗尽状态MOS阵列下 P-si--- P型单晶硅 Sio2--- 二氧化硅 G--- MOS门
所形成的一系列势阱（简单来说势阱形容了MOS存储电荷的能力）俘获并收集起来。
这些势阱相互间非常靠近却又互相隔离，在势阱中积累的光生少子数量上与入射光学图像相应位置的光照大小成正比，
这就相当于感应了该位置的亮度。
通过这种方式，光学图像在CCD的感光单元上被分解为一个个不不等的电荷包，每个电荷包所描述的就是每个点的亮度信息。
一开始的CCD性能并不出色，因为CCD只感应亮度信息，而不感应色彩信息，
早期的CCD都是记录黑白灰度图像的，分辨率只有不到1万像素。
同时CCD使用这种间隔栅格化而非胶片模拟连续的感应方式容易产生摩尔纹。

人们很快认识到了CCD在影像领域的巨大领域，立刻开展商用化。
在1973年第一枚商用CCD 1972年CCD所记录的‘S’ 64像素
由Fairchild Imaging发布，像素为100X100。
之后一年，这枚CCD被使用在了一支8英寸直径的天文望远镜上，并获得了第一张由CCD生成的天文照片。
1974年，吉尔阿米李奥博士设计出CCD的生产线，批量生产变为可能。
之后CCD迅速商业化，1975年第一台CCD平板扫描仪由科斯维尔公司生产发布。

第一枚商用CCD
当时拍摄得到的天文图像CCD的成功引起了巨大的关注，
一直专注于相机领域的柯达敏锐的发现了CCD作为影像传感器的可能，
1975年柯达发布了第一台完整的CCD照相机，使用的就是之前提到的第一枚商用CCD。
这台由柯达工程师史蒂夫撒森设计的“照相机”有100X100的分辨率，黑白，重8.5磅（3.85KG），
使用16节AA电池，需要23S的时间来存储一张照片。
虽然在今天看来，这台笨重的机器很难让人联想到小巧数码相机，但它却暗示了相机的未来。

之后KODAK继续在数码CCD相机研究，并着手解决CCD作为相机传感器的重要问题，
这其中在1978年他们贡献了一个很重要的研发成果：
让第一台CCD数码相机 单片式传感器记录彩色图像。
拜尔先生当时是柯达实验室的一名博士，他巧妙的设计了一个很聪明的方法，
那就是让“色盲”的CCD戴上一个个像素的有色眼镜，即色彩滤镜阵列。
通过在相邻的几个像素安置不同颜色的滤镜，滤镜颜色的光线所通过，
也就感应了这种颜色的亮度。
之后通过色彩空间插值法我们可以依据某点相邻像素所提供的原色信息来计算出该点的颜色。
可以说，这个方法很巧妙。现在所使用的色彩滤镜阵列有许多种，原色滤镜（RGBE）
，补色滤镜（CYGM） 在CCD上的拜尔滤镜示意以及最著名的拜尔滤镜了。
拜尔滤镜使用了B-G-G-R的方式来记录，
更多的绿色是为了模仿人眼更容易吸收绿色的原理，对绿色敏感。
这项发明意义重大，单片彩色CCD让小型化的照相机和摄像机变为了可能。
通过多片式感光元件实现彩色影像价格高昂，结构上也需要更多的空间。
不过拜尔算法也带来了后来一直伴随数码相机发展的问题，
即图像中高光衍射边缘的紫边。

同样在CCD被发明当年的12月，
索尼中央研究所的职员越智成之也发现了这项技术，并开始了研究。
虽然到1972年这项技术只能记录64像素的一个S，
但是之后一年，时为索尼公司副总经理兼中央研究所所长的岩间看好CCD的前景，
决定大量投入研发，并设立了远大的目标。

索尼当时在摄像机领域已经有很强大的实力，
但是要想让CCD达到可以使用在摄像机上，那么最低的标准，至少需要10万象素，
也就是说，要在很小的集成电路里做出超过10万个元件。
在当时的半导体工业技术却严重了的阻碍了CCD在像素上的发展，
人们普遍认为很高像素的小型CCD是不可能的。

虽然结构上来说，CCD并不复杂，但是难就难在加工和制造的工艺上，
基本的CCD只有3层滤镜的结构，但是用于商业化的CCD多达40层。
索尼在研发商用CCD过程中投入了200亿日元，
30亿用作项目研究，170亿用作CCD加工制造所需要的各种专有技术。
终于在5年后，1978年的3月，索尼制造出了12万象素并使用3枚SCX-24C单晶片的CCD，ICX008。

之后两年，索尼也完善了自己的设计，
在1980年1月造出了第一台量产的使用ICX008 CCD的彩色摄像机，XC-1，
被使用在当时日航的飞机上。
虽说是量产，但是良品率非常低，每100块差不多只有1块合格，
整条生产线运转一周才能生产出一块可以使用的良品，
当时人们笑言，这根本就不是合格率，这是发生率。
索尼接到的第一笔来自日航13台CCD摄像机的订单足足生产了一年之久。

CCD之所以难以生产是有很多原因的，
刚才提到过CCD的结构是通过一层层的扩散所形成的，其中如果这几层的扩散不均匀，
那么就会导致电参数不均匀，而电参数不均匀的结果就是每个像素感光的能力不同，
自然图像就没有一个准确而统一的亮度标准，那么这块CCD也就没有商用价值了。
而CCD的像素越高，也就对于扩散的均匀提出了更高的要求。

另外70到80年代没有成熟的无尘生产环境，
因为灰尘的原因而导致的不良品同样占到了一个很大的比重，
而这个问题直到80年代末才解决。

早期的CCD性能也并不让人满意，当拍摄动态影像，
即长时间运行的时候暗电流（外电压作用下P-N结内流过的单向电流）会大幅增加，
直接导致温度上升，干扰带来的噪声变大，影像也随之劣化。
为了减轻这种现象,当时在元件外部使用冷却装置降低温度。

有了XC-1的经验，索尼加快了CCD商用的进程。
之后在1981年，索尼发布了第一台彩色CCD摄像头，
同时也是同时期最小的，仅重2.8磅（1.27KG）。
同年8月25日东京发布了成熟的原型机MAVICA CAMERA。
这台具有开创性意义的照相机有了成熟的小型化设计，
使用大小为10mm x 12mm CCD，分辨率570X490。

之所以具有开创意义是因为，他在结构上和现在的小MAVICA CAMERA
及3枚配套镜头 型数码相机并无二致，
使用通用的镜头卡口并提供了25mm f/2, 50mm f/1.4,
16-65mm f/1.4 zoom3枚镜头，使用3枚 AA电池。
感光度被设为了ISO200，使用类似存储卡的2寸软盘来进行记录，
每张盘片可以记录50张彩色图像。
而它记录的图像质量在当时认为和电视节目播放时候的画质并无两样。
虽然MAVICA记录的图像依然是模拟的而非数字数据，
但是可以说，这台MAVICA（Magnetic Video Camera）是现在数码相机在设计上的原型。

MAVICA CAMERA 结构草图
第一台使用数字方式记录的数码相机同样在1981年卡尔加里大学使用那枚著名的FAIRCHILD CCD制造出来，
主要的目的用于记录极光。

在这几年间，采用CMOS加工工艺的CCD也被研发出来，
不过在性能上与CCD相去甚远，并没有获得太多的关注。

随后的几年，很多家公司都看好了CCD的前景，纷纷开发自己的照相机或者摄像机，
在1984到1985年，不约而同的多家公司都发布了自己应用CCD的产品，让人眼花缭乱。
包括德国潘太康，松下，富士，美能达以及COPAL都推出了应用CCD的相机产品


在1985年，索尼发布了8毫米CCD摄像机 CCD-V8。
这台机器是第一台使用CCD的8毫米卡带摄像机。
本身CCD-V8是手动对焦的，因为市场对于自动对焦的需求，
索尼随后迅速推出了AF自动对焦版本。
另外还有当时最小的“口袋”机CCD-M8。
这时的CCD像素已经飞速达到了27万像素。
索尼凭借着优秀的产品已经在CCD摄像机上占得了先机。

到了1986年，传统相机厂商佳能向市场推出了RC-701数码相机，
真正意义上数码相机开始走向大众。
它有4枚可交换镜头以及一个用于连接佳能35MM相机卡口的转接器，分
辨率约为300X320，CCD尺寸6.6mm x 8.8mm，
包含CANON RC-701 NIKON SVC 11-66mm f/1.2镜头的售价是3000美金。

这年佳能的对手尼康刚刚在PHOTOKINA展出CCD的原型机 SVC。
而柯达在1986年9月则把CCD的像素推上了一个新的高度，140万像素。
索尼在这年推出了MAVICA的后续机型，PROMAVICA。
但是在1986年，世界范围依然没有大量生产CCD的能力。

其后CCD量产的问题在90年代终于解决了，
生产的车间环境无尘化，各种技术变得也更为成熟。
索尼逐渐确立了自己的霸主地位，在广播级摄像机中，
CCD逐渐取代了传统的摄像管。
像素也随着制造工艺的提升飞速发展，在1991年的SEPS-1000已经达到了400万的水平。

在1990年，第一台数码单反问世了，由柯达改造了一台尼康的F3S，
DCS-100宣告单反的一个新时代到来了。其后的发展波澜不惊，

佳能和尼康分别在93年研发了自己数码单反的原型机，
并随后发布了一系列的数码单反产品。

在90年代初期，市场上的数码单反主要由柯达推出DCS系列，
类似数字后背的改造方式而来，在操作上，电子化的程度并不高。
而使用CCD的数码相机在小型化上取得了长足的进步，层出不穷，但是价格非常高昂。
在1991年，美国航天局改造了一台尼康F4，装载了一枚1百万像素的CCD飞上了太空，CCD第一次走出地球。


现在知名的高端数码后背厂商利图则在1992年推出了他们的第一款数码后背，
主要用于静物拍摄。它使用了2048X2048分辨率的CCD，
以及一个三色轮来获得彩色图像，3色轮分别有红绿蓝滤镜，
这样每3张图像将合为一张，繁琐但有着非常高的品质，适用面不广。

这个时期的CCD性能提升了许多，索尼开发了多种提高CCD性能的技术，
积累起了自己在CCD上的技术优势。
HAD技术解决了暗电流了的问题，并提升了高感性能
（在N型基板，P型，N+2极体的表面上，加上正孔蓄积层）。
CCD上的微透镜则提高了开口率，增大了感光面积，CCD的灵敏度大幅提升。

柯达凭借之前技术的积累，毫无疑问在90年代初期是数码相机领域的王者，
大量推出了各种型号不同像素的小型数码相机以及各类各厂家数码单反产品。

富士也发布了不少型号的数码相机，传统的相机大厂倒不这么激进，
可能是考虑到和传统胶片相比CCD的分辨率还有着较大的差距，
市场的主体也还是低廉的胶片机，数码相机在价格上还过于昂贵。
这时期30万到40万像素的CCD被大量生产。

在1995年的时候，索尼推出了VX1000摄像机。
作为MINIDV标准的先河之作，使用CCD的家用摄像机终于有机会获得真正的高品质可以和专业摄像机相媲美的图像了。
而VX1000经典的造型，也开创了准专业用机的标准。
类似规格的摄像机在不断完备后真正让索尼走向了巅峰，
在2000年推出的PD150P及后续PD190P更是风靡了太久，
至今依然有着巨大的保有量，成功可见一般。

这年的卡西欧QV10凭借着低廉的价格和38万象素的CCD，受到市场的欢迎。

1998年，佳能和柯达合作推出的D2000和D6000，
因为使用了APS-C尺寸的CCD而实用性大增，像素上也基本满足了人们的需求，
弥补了市场对于之前DCS5及DCS3幅面小，像素低的不满。
D2000也获得了当年的TIPA大奖。

之后CCD在新世纪初更是无比的辉煌，
2001年使用CCD的几款高性能数码相机在数量和价格上真正走向大众。
500万像素的美能达 DIMAGE 7，索尼的F707，
400万像素的卡西欧的QV4000，佳能的G2等等，多足鼎立，无比热闹。
400万的像素水平在冲洗7寸及以下的照片时的质量可以和普通胶片相媲美，
但方便的程度却不可同日而语。

1996年数码相机的产量是100万台，在2000年这个数字是1000万台，5年激增了10倍。2001年，第一台全尺寸CCD的数码单反面市，康泰克斯N DIGITAL，
熟悉摄影的朋友对这个品牌一定非常的熟悉，但是过于昂贵的售价并没有得到普及。

而佳能在2000年发布的D30完全改变了大家印象中CMOS低画质高噪音的印象，
CMOS克服了许多因为生产加工工艺带来的问题。
之后佳能只发布采用自家CMOS传感器的产品，并取得了巨大的成功以及丰厚的利润。

使用3枚CCD的索尼的PD150P在当时更是被认为是DV独立电影的最佳工具，
同时也大量的被各级电视台采用。得益于过硬的质量，在这个级别上索尼没有敌手，
直到2年后松下发布了DVC180，凭借独到的图像风格处理，在DV电影领域打开了市场。

辉煌的CCD在新世纪风光了几年后，迎来了挑战。
佳能公司凭借着在CMOS领域的厚积薄发，大尺寸传感器上CMOS开始大量占据市场份额。因为有着较低的生产成本和技术门槛，
CMOS对于CCD有着一定的优势，而质量上的差别已经被低成本所抵消。

在看到佳能在CMOS技术上的突破后，索尼同样开始投入CMOS的研发。

索尼在2004年发布了它最后一款使用CCD的准专业摄像机HVR-Z1C及其家用型号FX1,
这台HDV的开山之作也成为了索尼自己使用CCD的最后一台，
至今保持这极高的市场认知度。
5年过去的2009年，全新Z1C依然保持了3万以上的售价，
在数码产品更新换代频繁的今天，这不得不说是一个奇迹。
而后于它发布的使用CMOS的V1C等机型，虽然是升级型号，
价格确远不如“古老”的它。人们心中对于CCD的认可可见一斑。

在2008年的时候，索尼发布了F35全画幅电影机，
这台25万美金售价高昂的摄像机所使用的CCD真正代表了影像的最高质量。
虽然不是第一款全画幅CCD电影摄影机，
之前有老牌厂商PANAVISION的 Genesis,但是在规格及各项指标上F35代表了CCD技术的巅峰。

但是在准专业领域，由于价格战的愈演愈烈，市场早已经多次洗牌。
有着自己独到CCD技术的柯达，富士等早已经退出了单反市场，
佳能和尼康有着深厚的作为老牌相机厂商的底蕴，
以成熟的镜头群和独到的芯片技术扩大了市场份额。

CCD市场的老大索尼也在2008年发布了自己最后一款使用CCD的单反A350，
之后也投向了CMOS的阵营，可以说CCD没有输在技术，输在了商业对于成本的要求。

市场的发展决定了细分是不可避免的，CCD与CMOS在不同规格与应用之间开始了共存。

当前的市场上，单反以及准专业摄像机等需求较大幅面的传感器基本上都采用了CMOS，
而小型数码相机依然被CCD所牢牢把持。
而包括奥林巴斯，索尼在内的多加厂家也都有了自己的CMOS生产技术，
CMOS也变得越来越成熟。画质上CMOS已经可以在分辨率，高感及色彩上和CCD相媲美甚至超越。

从尼康D90引入了单反视频，到5D2把这项功能发挥到了很高的高度，
CMOS全能的应用表现征服了大众，人们已经不会在乎传感器使用的类型。

如果说到未来，也许在不久的将来CCD终究会完成它的历史使命，退出这个市场，
让位给更廉价，效果不逊色的CMOS传感器，
但是我们不能否认在数码影像替代传统模拟影像的道路上，CCD扮演了重要的角色，
这种对于影像质量不妥协的态度，也注定了它作为经典而流传。
（全文完）
2009年10月30日
附录：
现在的CCD发展像素上早已经不是瓶颈，DELSA已经发布了超过1亿像素的CCD，
飞思采用DELSACCD的民用数码后背也达到了6000万象素，
但是作为昂贵且低产量的产品，对于市场的影响有限，文中并无过多讨论。



另： 关于CCD和CMOS 的异同
CCD是一个泛称，即电荷耦合元件。
我们通常所说的CCD是指的使用TTL加工工艺的CCD，
而CMOS是使用CMOS加工工艺的CCD。在光电转换获取图像的原理上并无不同。
不过在拾取信号的时候，CCD同时读取所有信息，CMOS是按行滚动读取的，
ROLLING EFFECT就是由这种滚动读取的特点所造成的。

TTL是低阻器件，抗干扰特性好，电流控制，所以电流大，耗电多，发热也严重。

而CMOS是高阻器件，电压控制，易被干扰，不过电流小，很省电。

TTL类似二极管，而CMOS类似场效应管。TTL的运行速度比CMOS快，
因为比CMOS发明的更早，技术积累上CCD要更深一些，
在CMOS技术不完备的情况下，以前的CCD在画质上比CMOS好很多，
所以舆论普遍认为CCD有更好的影像质量。
不过在佳能等公司的努力下，现在的CMOS在大幅面上已经可以和CCD相抗衡了。
但是CCD干扰小的特性在小幅面上还是有得天独厚的优势，
所以我们所看到的大多数数码相机还是用的CCD。

再附上当初的照片就好了

楼主早

好帖，签名留念！给大家普及一下物理知识

冲LZ这名字, 我就要顶一顶.

看好欲卷土重来的柯达，还有适马X3、富士super