从2009年度诺贝尔物理学奖道机器视觉前世今生

　　2009年10月6日，据诺贝尔基金会官方网站报道，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布，授予两位发明第一片半导体成像芯片的科学家加拿大出身的博伊尔(Willard S. Boyle)和史密斯(George E. Smith)，2009年诺贝尔物理学奖，以表彰他们于1969年在新泽西贝尔实验室成功发明CCD(电荷耦合器件)，华裔英国科学家高锟Charles K. Kao基于其在光学通信领域中光的传输的开创性成就分享这项荣誉。

　　左起 高锟Charles K. Kao，Willard S. Boyle 和 George E. Smith

　　高锟教授于1966年7月在英国《电机工程师学会学报》(PIEE)上，发布了其著名的题为“光频率的介质纤维表面波导”的论文，拉开了科学家及工程师利用光纤传输信息的一系列研究和攻坚的序幕。并于4年后，康宁玻璃公司通过化学气相沉淀积法成功制造出符合高锟博士要求的纤维，从而验证了他的发现。

　　如果说高锟教授是基于光学技术把光信息的传输，提高了速度，拉近了空间距离;那么博伊尔(Willard S. Boyle)和史密斯(George E. Smith)博士则是实现了记录光信息的历史性突破，二者相辅相成，缺一不可，共同实现和成就了当今社会最欣荣和最具潜力的现代光通信技术和图像视觉成像技术。

　　Boyle 和 Smith研究成果的公布，激励了一大批数字成像领域的先驱，这当中包括时任滑铁卢大学电子工程系教授，DALSA的创始人、主席Savvas Chamberlain博士。早在1970年，Chamberlain博士就开始进行一系列前沿性研究包括：NMOS和CCD构建，VLSI MOSFETs和高性能CCD图像传感器等，并最终于1980年创建加拿大DALSA公司。

　　注：加拿大DALSA公司于 1980 年在加拿大安大略省的Waterloo成立，创办人是成像行业的先驱、Waterloo大学电子工程专业的前任教授 Savvas Chamberlain 博士。在高端成像和机器视觉领域，DALSA是全球最大、技术最先进的CCD/CMOS芯片和相机制造商，是世界上唯一的一家同时拥有半导体制造，芯片设计\制造，相机设计\制造，图像采集处理软硬件设计\制造能力以及视觉系统集成的全线能力的高科技企业。

　　图像视觉技术并不是一门多么“新”的技术，早在1839年，法国物理学家亚历克山大.贝克勒尔，就发现了半导体材料经过光照后，表面会携带电荷。直到100多年之后，1969年在贝尔实验室，博伊尔和史密斯博士才发明了CCD。CCD(Charge Coupled Device)，是一种通过光电耦合效应，将光信号转换为电信号，用硅片替代传统的化学胶片来获取图像信息的新型传感器件。

　　那么用CCD成像到底对我们的生活产生了多大的影响呢?特别通常的，我们可以想到数码相机或者类似消费级影音产品，在这一类产品中，CCD替代传统胶片，能够以更低的成本、更快的速度、更高清晰度，完成日常的影像采集等。但是，CCD的意义远大于此!

　　注：通常人们所说的CCD，不单单是CCD电荷成像器(芯片)本身，而是包括前端光线采集的光学系统，到后端电荷采集简单集成电路，把他们放在外壳里面，也就是我们通常所说的CCD相机，简称CCD。

　　正常情况下，人类获取信息的80%以上来自视觉。正所谓“百闻不如一见”，也说明了人眼是人类获取信息、适应环境、改造世界的主要器官之一，但是实际上，人眼的感应能力是非常有限的，人眼的分辨率约为1600万像素左右，帧速率约为20帧/秒，动态范围在14-16Bit左右，光谱响应范围为380nm-760nm。应用CCD，我们可以采集最高1.11亿像素分辨率，500帧/秒，动态范围16bit，光谱范围从400-1000nm的光信号。

　　超高分辨率，在天文、航天、国防等领域都得到了应用，尤其是在对天观测和对地观测方面发挥着重要作用;高速摄影能够对各种瞬态过程进行记录和研究，如爆炸过程、碰撞过程、高速加工过程等;CCD对近红外光的响应，也可以用到一些相应的工业领域，如食物分选、安防监控等。

　　从CCD衍生出去，关于视觉成像技术有更加广阔的天地，可见光光谱段为380nm-760nm(0.38μm-0.76μm)，依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，而自然界存在的电磁波波段从小于10-4μm的到大于1000μm，依次包括伽玛射线，X-射线，紫外光，可见光，红外光，微波等。通过加闪烁体，镀膜或采取背减薄等处理，CCD可以完成对X射线、近红外光和近紫外光的成像，X射线目前广泛应用在医疗、天文观测、国防工业及科学研究中;紫外成像则可用于国防、刑侦等安防领域及凝胶分析、电力等一般工业;红外成像的应用范围就更广泛一些，如夜视、测温、制导、工业检测等。

        CCD的发明，不仅是为人类找到了另外一双“眼睛”，同时也为诸多实际应用找到了人眼的替代物。

　　将CCD的特性和优势延伸开来，我们就会发现有各种各样的成像器件，正在或即将通过其不同特性，完成人类对各种“不可视”的挑战!这里除了不可见光谱以外，还包括肉眼无法发现的瑕疵，以及诸多极端情况。

　　机器视觉行业，正是建立在这诸多先进的成像器件和成像技术之上的。我们将CCD安装在机器上，相当于为机器植入“眼睛”，同时在视觉系统内嵌入视觉软件，相当于为机器植入“大脑”，机器通过CCD等成像器件采集到需要的图像及目标信息，然后通过视觉软件进行一系列处理(检测，识别，测量，定位等)。相信随着CCD制造工艺的进一步提高，以及其他诸如CMOS等成像器件的快速发展，机器视觉必将为众多工业客户带去更多优良技术，推动各个行业的进步!(摘自: 中国传动网)