CCD相机（charge coupled devices camera，CCD camera ）是指以CCD（电荷耦合器件）作为感光元件的数码相机。该相机以CCD芯片为核心，将自然界存在的物理图像经过光电转化，变成电子视频图像信号。一般包括CCD传感器、驱动电路、信号处理电路、接口电路、外壳及机械光学接口。

1969年10月，贝尔实验室的威拉德·波伊尔和乔治·史密斯发明电CCD，二人因此工作获得2009年诺贝尔物理学奖。自20世纪70年代后期开始广泛应用于天文观测。1973年，快捷半导体（苏州）有限公司把CCD技术应用于商业领域，制造出第一只商用CCD成像器件。1981年以后，中国将CCD相机应用于载人航天“921工程”“遥感12号”卫星等。1990年，伊士曼柯达公司发布第一款CCD数码相机DCS100。2008年后，CCD逐渐被CMOS取代。

CCD相机按照所使用的CCD器件不同可以分为线阵CCD相机和面阵CCD相机两类。线阵CCD相机可以直接将接收到的一维光信号转换成时序的电信号输出，获得一维的图像信号。二维面阵CCD相机将一维线型CCD相机的光敏单元及移位寄存器按照一定的方式排列成二维阵列，可以直接将二维图像转变为具有行场同步的视频信号输出。

早期的计算机对图形图像的处理能力十分有限，且体积庞大。70年代，PC机的出现首先使办公计算机小型化。然后，80年代初16位微型计算机普及和高速发展的序幕。短短的十几年中，微型计算机在软硬件的方方面面均有了极大的提高，价格一路下降，从而使计算机进入家庭成为现实。也为照相机的数码化提供了条件。

不过，由于CCD技术的不成熟及周边软件缺乏，也使数码相机一度受阻。进入90年代以后，美苏冷战结束，大量军事方面的高科技开始转入民用市场，数字图像技术就是其中之一。另一方面，由于社会的发展，传统图像技术的局限性也就逐步显现出来，诸如过分依赖胶卷导致拍摄次数受限、后期图像处理困难，环境污染等等，这样就产生了数字图像的市场需求。

1969年10月，贝尔实验室的威拉德·波伊尔和乔治·史密斯于发明电荷耦合器件（Charge-coupled Device， CCD），二人因此工作获得2009年诺贝尔物理学奖。CCD是一种在光电效应基础上发展起来的半导体光电器件，自20世纪70年代后期开始广泛应用于天文观测，相较照相底片和光电倍增管，它具有量子效率高、动态范围大、线性好等优点。

在接下来的时间里，成百上千的科学家和工程师努力奋斗，逐步将CCD推向实用化，包括美国的仙童(Fairchild)、柯达泰克(Tektronix)和德州仪器（Texas Instruments，TI），以及日本的夏普（Sharp）、索尼（索尼）、东芝(东芝)和日本电气(日本电气)等公司都作出了许多贡献。航天、科学和消费等方面的应用，都得益于为解决CCD问题而从不同渠道投入的经费，但是问题还是很棘手，那是一条非常艰苦的发展之路。

1973年，快捷半导体（苏州）有限公司把CCD技术应用于商业领域，制造出第一只商用CCD成像器件，这开辟了CCD在工业领域的道路。80年代后期，CCD在大多数视频应用中取代了电子管。进入90年代后，CCD应用于分辨成像，广泛应用于专业电子照相、空间探测、X射线成像及其他科研领域。

1981年，薛鸣球调至中科院西安光学精密机械研究所工作，将研究方向瞄准空间光学，致力于中国新一代侦察卫星光学遥感相机的研制，研究团队研制的多种空间电荷耦合器件(CCD)相机，应用于载人航天“921工程”“遥感12号”卫星等；1993年，创建了西安光机所空间光学研究室。

1990年，伊士曼柯达公司在德国科隆的Photokina展示会上展出了第一台“便携式”专业数码相机DCS。次年，DCS正式上市，并被改名为DCS100。DCS100使用了一块140万像素，面积为20. 5x16.4mm的CCD，等效焦距倍率为1.8。90年代早期，CCD还没有能力生成高解析度的照片，柯达公司发布的全球首台专业数码照相机售价高达30000美元。1992年的1992年巴塞罗那奥运会上，它奉献了13张照片。

1999年，中国研制成功“中巴地球资源卫星”卫星多光谱CCD相机，共研制两台。2002年，首发“海洋一号卫星”多光谱CCD相机，填补中国海洋卫星CCD相机的空白。

进入21世纪，市场上200万像素的数码相机基本趋于淘汰，300万和500万像素的领衔主角。CCD的像素不断增加，有的甚至已达到四色，CCD相机的功能不断被翻新，拍摄的图像效果也就越来越接近于传统相机。

1998年，CMOS图像传感器（Complementary Metal-氧化物半导体 Image Sensor，CIS）诞生了。CMOS的光电信息转换功能与CCD的基本相似，区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电少(仅为CCD芯片的1/10左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。从2008年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式CMOS使用在不同的数码相机产品上。从此，CMOS图像传感器迅速发展。CCD逐渐被CMOS取代。

CCD相机按照色彩可分为黑白相机和彩色相机；按照输出信号可分为模拟相机和数字相机；按照灵敏度可分为普通灵敏度相机、高灵敏度相机（月光型和星光型）、红外相机；按照分辨率可分为普通分辨率相机和高分辨率相机；按照CCD芯片类型可分为线阵CCD相机和面阵CCD相机；按照CCD光敏面尺寸可分为1/4.1/3、1/2.1 英寸等相机；按照制冷形式可分为制冷相机和非制冷相机；按照扫描形式可分为逐行扫描相机和隔行扫描相机；按照输出速度可分为低速相机、标准速度相机高速相机；按照响应光谱可分为可见光相机、紫外线相机、红外线（近红外、中红外、远红外）相机。

CCD相机按照色彩可分为黑白相机和彩色相机。CCD信号在监视器上直接进行显示，光斑的分布情况用彩色CCD可以直观反映出来，由于彩色CCD的三色合成，其采集到的光斑有明显的干涉条纹，破坏了光斑图像。黑白CCD相机由于不存在三色合成问题，从而避免了图像传感器表面的干涉现象。通常用最低环境照度要求来表明CCD相机的灵敏度，黑白CCD相机的灵敏度大约是0.02 ~0.5勒克斯 ( 勒克斯)，彩色CCD相机多在1Lux以上。

CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两大类。

线阵CCD每次扫描一条线，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。线阵CCD又分为单沟道线阵CCD和双沟道线阵CCD。

按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵CCD。面阵CCD同时曝光整个图像。

帧转移面阵CCD——优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点：需要面积较大暂存区。

隔列转移面阵CCD——优点：转移效率大大提高。缺点：结构较为复杂。

以上参考

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。像素数越高，面积越大，成像质量就越高越清晰。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线、储存信号并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给相邻的图像处理器来形成图像。MOS电容器是构成CCD的最基本单元，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。

CCD相机以CCD芯片为核心，将自然界存在的物理图像经过光电转化，变成电子视频图像信号。CCD的全称是Charge Coupled Device，即电荷耦合器件，是一种感光元件。它能将收集到的光线，以电信号的形式储存在相机之内，然后再通过相机内的其他元件转译为图片格式。CCD的工作过程主要包括：电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。光子入射到CCD上激发光电子，光电子被收集在一起形成电荷包，电荷包依次从一个像素转移到另一个像素，最终传输到输出端，完成对电荷包的测量。

在CCD中，电荷注入的方式可分为光注入和电注入两类。当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。

电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。电注入常用的有电流注入和电压注入两种方式。

CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。当向SiO表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。

CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。

CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。其中电荷输出类型，主要有三种：电流输出、浮置栅放大器输出和浮置扩散放大器输出。

CCD种类有很多，天文观测中常用的有全帧CCD (Full-Frame CCD， FFCCD)，电子倍增CCD (Electron-Multiplying CCD， EMCCD)等。全帧CCD具有高密度像素阵列，能够产生高分辨率的数字图像。全帧CCD在读取时，积累的电荷必须首先垂直转移到下一行，由串行读出寄存器水平读出每个像素，重复上述步骤，直至全部转移完毕，这称为“逐行扫描”，由于全帧CCD所有像素都参与感光，因此在电荷传输时，这些像素将被用于处理电荷传输而不能继续捕捉新的影像。这时如果探测器继续接受光线，就会影响成像质量，所以全帧CCD需要配备机械快门，用于探测器读出过程中遮挡入射光。机械快门的缺点是存在快门效应、故障率高、使用寿命有限等。

CCD相机可以随时、方便的捕捉图像，成像清晰度极佳，特别是对微光状态下的成像支持多重合并像素模式，创新的读出技术能够充分降低噪声，达到一个更高的灵敏度和转化效果，使得图像具有极高的信噪比，在医学领域得到非常广泛的应用。

在落弹占交汇测量中，可以使用双CCD相机进行交汇测量。还可以通过天文软件控制望远镜或CCD相机进行天文观测。

CCD的发明具有划时代的意义，它的出现使得人类捕捉信息达85%的眼睛这个重要器官得到了极大扩展与延申。促进CCD快速发展主要有三个因素：首先，CCD的尺寸小，重量轻，消耗功率少，超低噪声，动态范围较大，线性良好，可靠，耐用。第二，这种器件在形状、快速、外形质量和成本方面能与真空管抗衡。第三，空间成像应用需要新的探测器。市场应用的结果证明CCD是科学领域的一项重大技术变革。它在被忽视数十年之后，能获得2009年的诺贝尔奖可谓实至名归。

以上参考