CCD开启数码视讯传奇

诺贝尔奖专题报道

CCD的诞生让人类有了将图像数字化的工具,这在增强人类感知世界能力和丰富信息交互内容的同时,极大地促进了人类生产力的发展。

与高锟共同分享本年度诺贝尔物理学奖的,也是应用科学成就的贡献者,他们就是美国科学家威拉德•博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治•史密斯(George E. Smith),他们因为发明了“成像半导体电路――电荷藕合器件图像传感器CCD”而获此殊荣。

数字影像

因CCD而生

事实上,CCD的诞生也源自基础光电物理学发展,其理论基础是爱因斯坦的光电效应―光可以转化成为电信号。就在实用光纤研制成功的前一年,美国贝尔实验室的博伊尔和史密斯发明了世界上第一个数字式图像传感器CCD。其工作原理是将光线转换成电信号,接着又被转换为数字0和1。这些信号也可以被还原为图像,每一个影像点叫作一个像素。这就实现了图像的数字化获取、存储、传输、处理和重现。

40年来,CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展,特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展,CCD技术应用的广度与深度也越来越大。如今,数码相机、摄像机、电影摄录机、手机、监控设备等众多的数码产品都使用了CCD部件。

2009年诺贝尔物理学奖获得者乔治•史密斯

另外,CCD还在医疗领域中有长足的应用――深入人体进行诊断或显微手术。而按照诺贝尔评荐委员会所说,在海底和太空中CCD都得到了广泛的应用,“它可以捕捉到遥远天体和极小物体的影像。”

事实上,CCD在天文学领域的应用是革命性的。对于天体发出的光芒,每一百个光子,传统胶片和人眼都只能捕捉到1个,而CCD能够捕捉到90个。天文学家再也不用辛苦地守在望远镜旁等待胶片曝光,第二天再一张张人工对比胶片找出星空的变化,他们现在只要在电脑上轻点鼠标便能做到这些。CCD使得天文学家处理照片的效率大大提高。上世纪80年代设计哈勃太空望远镜的时候,256万像素的传感器在当时是一件叹为观止的事情。而今天,美国的开普勒号望远镜正在用9500万像素的CCD寻找与地球类似的行星。

未来,CCD最大的应用并不在于影像的拾取,而在于基于CCD开发的一些有趣的应用。虽然CCD是平面成像,现在已经可以通过边界判断算法,实现一些简单的识别功能。比如通过后台的算法,把照片抽成一些边界,然后根据边界的变动,实现对被拍摄物体的判断。现在的手势控制电视,采用的就是这样的设计。

有人进一步拓展了这个理念,把它应用于安保和监控,摄像头可以根据人的移动而自行调整焦点和角度,从而形成人与物的互动,从而让物也拥有类似人的反应特性,进而判断人的行为,或行车是否安全等。

未来的器物通过CCD,也会变得更有人情味。比如电脑可以判定一个人的情绪,从而做出相应的反应,而厨房也可以根据不同的心情和状态,调整灯光,甚至火焰的香味。

呼唤国产

中国在图像传感器领域目前还处于起步阶段,由于图像传感器属于半导体产业的一部分,因此,影像传感器的发展取决于国内芯片制造技术的进步。目前中国台湾的中芯国际、和舰科技、台积电等厂商在内地的芯片厂已经颇具规模,欧美的英特尔、意法半导体也相继在大连和深圳设厂。根据最新消息,今明两年台湾有可能开放12英寸晶圆及0.13微米制程,甚至90纳米制程技术到内地投资,这势必会进一步促进中国内地芯片产业的发展。

在技术选择方面,CMOS(互补性氧化金属半导体)无疑是必选的方向。CMOS采用高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,然后转为信号。我们期待着,中国本土厂商真正进军影像传感器产业。