ccd技術的原理與應用及高清攝像機CCD技術

　　CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件?？梢苑Q為CCD圖像傳感器，也叫圖像控制器。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為電信號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把光信號轉換成電荷信號。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應光線，并將光信號轉變成電信號，經外部采樣放大及模數轉換電路轉換成數字圖像信號。

　　CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為模擬電流信號，電流信號經過放大和模數轉換，實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態范圍大；4.響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應用超大規模集成電路工藝技術生產，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產成本低。因此，許多采用光學方法測量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。

　　CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內部電極分成數組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數由CCD芯片內部結構決定，結構相異的CCD可滿足不同場合的使用要求。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分，其光敏區是MOS電容或光敏二極管結構，生產工藝相對較簡單。它由光敏區陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現實時控制，但獲取信息量小，不能處理復雜的圖像（線陣CCD如右圖所示）。面陣CCD的結構要復雜得多，它由很多光敏區排列成一個方陣，并以一定的形式連接成一個器件，獲取信息量大，能處理復雜的圖像。

　　CCD工作原理

　　CCD的特點

　　1、高解析度（HighResolution）：像點的大小為μm級，可感測及識別精細物體，提高影像品質。從早期1寸、

　　1/2寸、2/3寸、1/4寸到現在的1/9寸，像素數目已從初期的10多萬增加到千萬像素，以后還有繼續增加的趨勢。

　　2、低躁聲（LowNoise）高敏感度：CCD具有很低的讀出噪聲和暗電流噪聲，因此有比較高的信噪比（SNR），同時具有高敏感度0.0003～0.0005LUX甚至0LUX低光度的入射光也能檢測到，其信號不會被噪聲掩蓋，所以CCD的應用基本不受氣候的限制；

　　3、動態范圍廣（HighDynamicRange）：通過

　　數字處理的CCD信號，其動態范圍可達到400%，專業級可達到600%，可同時適用于強光和弱光，提高系統環境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現象；

　　4、良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強度和輸出信號大小成良好的正比關系，能很好地反映被攝圖像的細節層次，降低信號補償處理成本；

　　5、光子轉換效率高（HighQuantumEfficiency）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影像增強管及投光器，即使在黑夜遠處的景物仍然還可以拍攝到；

　　6、大面積感光（LargeFieldofView）：利用半導體技術已可制造大面積的CCD晶片，目前與傳統膠片尺寸相當的35mm的CCD已經開始應用在數碼相機中，成為取代專業光學相機的關鍵元件；

　　7、光譜響應廣（BroadSpectralResponse）：從0.4～1.1μm，能檢測很寬波長范圍的光，增加系統使用彈性，擴大系統應用領域；當然根據不同的應用場合和要求，需用濾色片或復合濾色片；

　　8、低影像失真（LowImageDistortion）：使用CCD感測器，其圖處理不會有失真的情形，使原物體表面信息忠實地反應出來；

　　9、體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，應用廣泛

　　10、低耗能，不受強電磁場影響；

　　11、電荷傳輸效率佳：該效率系數影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊；

　　12、可大批量生產，品質穩定，堅固，不易老化，使用方便及保養容易。有些燒壞的CCD像素，經過一段時間的帶電工作后，能自我恢復。

　　CCD主要生產廠商：

　　CCD產業前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5％的市場份額，在技術發展方面，主要廠商應為索尼、飛利普，NEC和柯達公司。

　　CCD的工作原理

　　1、CCD（ChargeCoupledDevice）意即電荷耦合器件，是一種特殊的半導體?，F在都習慣用CCD當作圖像傳感器的代名詞?，F在的CCD圖像傳感器由三層組成：第一層：微透鏡頭；第二層：分色鏡片；第三層：感光、儲存、轉移電荷（CCD）層。如下圖：

　　2、CCD工作的基本原理：CCD的感光面是若干個獨立光刻單元的集合，它能存儲由光或電激勵產生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在CCD內作定向傳輸，并輸出電信號。下圖為行間轉移CCD（IT:InterlineTransfer）的工

　　作原理圖：

　　3、CCD的物理結構，CCD有表面（溝道）CCD（SCCD）和埋溝CCD（BCCD）兩種基本類型。首先將一塊半導體基板通過光刻劃分成行×列的矩陣狀，示意如下圖示（4×8=32個像素單元）：

　　每個單元為一個像素單元，在每個像素單元里，制作出一個光感區（光感二極管）、電荷儲存區、電荷轉移區和益漏溝槽、電極等。如下圖簡示：

　　從上面的示意圖（正面圖）可以看出，每一個單元對應一個像素，內含一個光感二極管和與其一起工作的開關場效應管，轉移儲存器，像素之間還有益流溝和轉移珊等，因此感光面約占每個像素面積的1/2左右的面積，增大感光面積很重要，因為感光面積越大，光感二極管采集的光就越多，成像質量就越高，但是，感光區不能把面向光線射入處都做成有效感光部份，真正能感光部分的面積只是感光區面向光線射入處部份面的60%-90%，這就是所謂的開口率。但每個像素點的面積有限，目前解決的的辦法是在每個感光區前面加一個光學透鏡（索尼最先想出的解決辦法），以增加受光面積，這就是CCD上的第一層微鏡頭，這樣感光面積就由微鏡片來決定了，效果非常好。

　　4、三種典型圖像CCD的電荷轉移方式結構示意圖

　　5、下面以行間轉移型（IT:InterlineTransfer）CCD

　　的工作流程，說明CCD的工作原理。

　　CCD結構如圖下所示，包含感光二極管（Photo-diode）、垂直寄存器、行信號輸出寄存器、控制柵、電荷檢測、數摸轉換器放大器等單元，其工作流程敘述如下：

　　行場間轉移型（IT:Interline

　　Transfer）CCD的工作流程圖

　　下面是一個面CCD圖像傳感器，現在說明其從時間順序上的工作過程：

　　1、在場信號的正掃描期間，感光區的感光二極管將其所受光的強度轉換成電子并儲存在感光區進行積累；

　　2、在場掃描的逆掃描期（場消隱期），轉移控制柵從低電位轉成高電位，開通感光區與垂直儲存區（CCD），使感光區儲存的電荷轉移到垂直儲存區，轉移完成后，轉移控制柵電位變成低電位，結束電荷轉移，這個過程在逆掃描期（場消隱期）內完成；

　　3、在場的正掃描期間，儲存在垂直存儲單元中的電荷，在Vф1、

　　Vф2、Vф3、Vф4脈沖時序電壓作用下，依次將其儲存的電荷向下轉移到水平存儲單元中，每個轉移過程僅在每個行掃描的逆掃描期間內完成，且每個垂直儲存單元在行逆程掃描期只轉移一個像素的電荷，這樣就保證每次轉移后，水平輸出CCD內僅存有一行像素；

　　4、在行掃描的正掃期間，在Hф1、Hф2時序脈沖電壓的作用下，將已轉移到水平存儲單元的電荷依次向左轉移，并檢測輸出（一行圖像的掃描信號），完成一行輸出后，水平存儲單元內的儲存電荷全部轉移出去，水平存儲單元清空，等待下次從垂直存儲單元轉

　　移電荷；在場正掃描期內，完成一幅圖像的轉移輸出。

　　彩色CCD的工作原理

　　CCD的像素感光特性只對光的強弱有較好的正比關系，并且感光范圍超過可見光范圍，但CCD不能識別光的顏色，只能識別光的強弱，所以CCD是色盲，只能反映出圖像的黑白圖像（灰度級），如何識別彩色圖像？

　　1、三基色方案的工作原理

　　根據三基色原理，將一幅圖像分離出組成該圖像的三基色圖像紅（R），綠（G），藍（B）的三幅單色圖像（當然也可以分離成其圖像的三補色的單色圖像），用三塊CCD

　　分別對其三基色圖像進行獨立感光，根據需要，再將其三基色圖像信號合成為全彩色圖像信息信號進行處理或輸出，這就是三CCD成像原理，如下圖所示：

　　這種工作方式的優點是：清晰度高，色彩還原好，后續處理方便。缺點是：代價高，三塊CCD同時工作并調試好才出廠；維修代價高，因為一般維修，不能對三塊CCD進行進行光學重合調整，即使其中一塊CCD壞了，也要三塊CCD同時更換；光路設計要求高，在光通路上，要設有三基色分光鏡，將全色圖像分離出R，G，B三基色圖像分別對應三塊CCD，且要求三塊CCD的圖像必須在物理視覺上重合，生產廠家必須將三塊CCD和分色鏡做在一起，所以生產成本較高。

　　2、彩色單CCD的工作原理

　　不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋RGB（紅綠藍）三色濾光片，以1：2：1的構成（如圖示）

　　即由四個像點構成一個彩色像素（即紅藍濾光片分別覆蓋一個像點，剩下的兩個像點都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術則將其中的一個綠色濾光片換為翡翠綠色（英文Emerald，有些媒體稱為E通道），由此組成新的R、G、B、E四色方案。上面方案處理彩色圖像時，其清晰度只有單色CCD的1/4，為了彌補這

　　種損失，在CCD輸出后，通過計算，來恢復這一組（四個像素）像素每個像素的RGB信號，從而提高圖像的清晰度。

　　計算方法和恢復方法，每家公司的算法也不相同，同一幅圖像，通過不同的恢復方法（算法）得出的恢復圖像，也有差別，比如有的圖像會偏黃，有的會偏紅，甚至對某種特定的顏色會產生錯誤，比如分紅色被恢復成紫色，總之不管其算法如何，都不可能完全恢復原始圖像信息，另外由于三基色的色域小于自然色域，所以，即使通過最完美的算法，其恢復后的圖像也要產生色彩失真，只是盡量接近原始圖像而已，另外，為何有的算法（也稱彩色矩陣）比較好，而其它公司為何不采用？這是因為每家開發的算法都申請了版權，別的公司必須付費后，才能使用，當然每家開發的算法，也會具有自己的特點，同時也能表現自己公司的開發能力吧