CCD传感器、阿尔伯特·爱因斯坦和光电效应

日期:  
2018年 11月 27日
作者: 
Anne Corning  | 
主题: 

电荷耦合器件(CCD)传感器广泛应用于如今许多先进的数码相机和成像系统。CCD最初是由Willard Boyle和George Smith两位物理学家于1969年开发的。他们以阿尔伯特·爱因斯坦的光电效应理论为基础,即光通过光电效应转换为电子。CCD传感器以图像点或像素的形式采集这些电子信号,这使得我们能够以数字方式读取它们。

安装在电路板上的CCD传感器.

Boyle和Smith通常被称为“数字摄影之父”,他们因CCD这一发明成果及CCD对整个数字摄影技术的影响荣获了2009年诺贝尔物理学奖

Willard S. Boyle(左)和George E. Smith,凭借他们在数字成像领域的工作成就以及CCD传感器发明成果荣获了诺贝尔物理学奖.1

阿尔伯特·爱因斯坦

如果Willard和Boyle是“CCD相机之父”,那么阿尔伯特·爱因斯坦则是“CCD相机之祖父”。爱因斯坦是Radiant在相关系列博客文章中介绍的“杰出物理学家”之一,Radiant公司总部有一间会议室是以他的名字命名的。

爱因斯坦于1879年3月14日出生于德国,被认为是20世纪最具影响力的科学家。他的广义相对论使牛顿力学定律与电磁学定律得以相结合。1921年,他因其成果的深远影响而荣获诺贝尔物理学奖。在成为纳粹的追捕目标之后,爱因斯坦于1933年离开了欧洲。此后,他成为了普林斯顿大学理论物理学教授,并一直在该校任教,直到1955年去世。

1905年,爱因斯坦发表了一篇关于物质与能量之间关系的开创性论文,提出一个物体的能量(E)等于该物体的质量(M)乘以光速(C)的平方,即E=MC2。该方程式表明微小的粒子可以转化为巨大的能量——原子能的来源。

1905年,爱因斯坦还发表了关于狭义和广义相对论的著作。虽然这可能是他提出的最著名的理论,但“相对论”并不是爱因斯坦获得诺贝尔奖的原因。相反,他是因光电效应方面的研究成果而荣获了诺贝尔奖。

光电效应

早期,有些科学家一直认为光是由粒子组成的(比如艾萨克·牛顿爵士,1643-1727),而另一些科学家提出的理论则是光是一种波(比如罗伯特·胡克,1635 – 1703,和詹姆斯·麦克斯韦,1831-1879)。爱因斯坦确定光能是以离散的量子化波包(光子)形式传播的,因此光可以同时是波和粒子。

该理论解决了不同频率的光(颜色)与这种光的能量(电磁辐射)之间的关系问题。光电效应是指光信号如何转换为电信号的过程,这是CCD相机背后的基本过程。

当光照射在金属(在CCD传感器情况下为金属硅)表面上时,这些光的能量(光子包中包含的能量)通常会在一种称为光电效应(亦称为“光电发射”)的现象中将电子从表面移除。各种光电能量波长(190-1100纳米(nm))均会发生这种现象,包括波长约为380-700 nm的可见光全光谱。

当光照射在金属表面上时,将会发生光电效应,促使光发射出电子(光电子).2

CCD 技术

当携带电荷的入射光子被CCD探测器材料吸收时,它们将产生电子空穴对。在摄影曝光期间,所发射出的电子将积聚在各个探测器元件中,称为CCD像素或感光单元。(这些像素不同于显示器屏幕中发射光线的像素)。照射在CCD表面金属上的光线越明亮,所发射的电子数量则越多。

本质上,CCD传感器是一种硅或硅层板,其通常通过添加磷等其他元素进行了“掺杂”,以改变其导电性质。然后,在硅上面覆盖金属氧化物绝缘层,这使得光能通过“栅极”进入。这些栅极拥有仅允许单向能量转移的电荷,以捕获所释放的电子。

CCD传感器通过通道挡块分成多排,并在顶部铺设薄铝条以形成网格。所形成的网格中的每个正方形都是一个像素。当电子在曝光条件下释放时,它们会向上迁移至硅层的表面,然后被限制在像素网格内。

具有多个硅掺杂层的CCD传感器的3D简化横截面。顶部的阴影区域为像素大小,绿色箭头表示电荷转移方向.

当传感器捕获光电子后,然后它就可以读取CCD上每个像素内的值(所积聚的电荷)。每个像素中积聚的总电荷量(电子数量)与入射在其上的光量成线性比例,即:从拍摄对象上发出的光强度越大,像素中最终存储的电荷则越多。

然后,模拟-数字转换器(ADC)将通过测量每个像素或感光单元中的电荷量并将该测量值转换为二进制形式,来将每个像素的值转换为数字值。本质上,这创建了落在设备上的光图案的机器可读数字版本,从而重新创建了原始图像。

流经铝条的交流电将所存储的电子逐行移动到传感器的边缘,在这里,电荷将被登记和记录到相机的存储器中。这将使CCD传感器变空,并为下一次摄影曝光做好准备。

关于相机传感器科学的详细探讨,包括硅的掺杂、CCD的电磁过程以及各种操作注意事项。如果您只想了解CCD传感器的工作原理,请直接跳到6分16秒.

使用CCD传感器捕捉光强度可以产生黑白图像。对于彩色成像,则需要使用滤光片将入射光分离成不同颜色的光波长,包括红色、绿色和蓝色,这样就可以捕捉和测量不种颜色的光波长,以重新创建全彩色摄影图像。根据CIE色空间中的定义,Radiant色度计使用与人类感知相匹配的三色刺激滤光片转盘系统(“三色”刺激代表三种原色的滤光片,用于匹配人眼中三种不同视锥细胞的反应)。

传统的拜耳模式RGB滤光片(右)可提供红光、绿光和蓝光波长区域的光强度信息,但不具备像我们人眼那样能够区分不同波长的灵敏度。Radiant的滤光片转盘系统(左)使用符合CIE标准的滤色片来复制人眼对亮度和色度的感知。

CCD架构具有一些基本形式,同时也包含许多尺寸和变体选择,用于满足特定的应用需求,包括手机摄像头、科学研究等,举例来说,CCD传感器用于哈勃太空望远镜和医学成像。CCD传感器以其光灵敏度、色彩准确性以及能够包含大量具有较大电子容量的像素而著称,能够产生高分辨率图像。当需要高精度细节来区分图像中的细节时,这些特性使CCD传感器变得特别有效。

Radiant的ProMetric®成像亮度计和色度计采用科学级CCD,其提供超高性能、低噪声、高分辨率和极快的数据传输速度。如需了解更多有关如何使用基于CCD的系统进行高精度亮度和色度测量的信息,请阅读我们的白皮书:“基于CCD的成像色度计指南”

图片来源
1.    Boyle和Smith图片来源:美国国家工程学院
2.   光电效应图片来源:根据“Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported”条款获得了许可。