ccd技術(shù)的原理與應(yīng)用及高清攝像機(jī)CCD技術(shù)

　　CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像傳感器，也叫圖像控制器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)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(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。

　　CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學(xué)方法測(cè)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(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的CCD可滿足不同場(chǎng)合的使用要求。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是MOS電容或光敏二極管結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝相對(duì)較簡(jiǎn)單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，但獲取信息量小，不能處理復(fù)雜的圖像（線陣CCD如右圖所示）。面陣CCD的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個(gè)方陣，并以一定的形式連接成一個(gè)器件，獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。

　　CCD工作原理

　　CCD的特點(diǎn)

　　1、高解析度（HighResolution）：像點(diǎn)的大小為μm級(jí)，可感測(cè)及識(shí)別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)。從早期1寸、

　　1/2寸、2/3寸、1/4寸到現(xiàn)在的1/9寸，像素?cái)?shù)目已從初期的10多萬增加到千萬像素，以后還有繼續(xù)增加的趨勢(shì)。

　　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(shí)具有高敏感度0.0003～0.0005LUX甚至0LUX低光度的入射光也能檢測(cè)到，其信號(hào)不會(huì)被噪聲掩蓋，所以CCD的應(yīng)用基本不受氣候的限制；

　　3、動(dòng)態(tài)范圍廣（HighDynamicRange）：通過

　　數(shù)字處理的CCD信號(hào)，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到400%，專業(yè)級(jí)可達(dá)到600%，可同時(shí)適用于強(qiáng)光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號(hào)反差現(xiàn)象；

　　4、良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強(qiáng)度和輸出信號(hào)大小成良好的正比關(guān)系，能很好地反映被攝圖像的細(xì)節(jié)層次，降低信號(hào)補(bǔ)償處理成本；

　　5、光子轉(zhuǎn)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(qiáng)管及投光器，即使在黑夜遠(yuǎn)處的景物仍然還可以拍攝到；

　　6、大面積感光（LargeFieldofView）：利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的CCD晶片，目前與傳統(tǒng)膠片尺寸相當(dāng)?shù)?5mm的CCD已經(jīng)開始應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中，成為取代專業(yè)光學(xué)相機(jī)的關(guān)鍵元件；

　　7、光譜響應(yīng)廣（BroadSpectralResponse）：從0.4～1.1μm，能檢測(cè)很寬波長(zhǎng)范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域；當(dāng)然根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和要求，需用濾色片或復(fù)合濾色片；

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

　　9、體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，應(yīng)用廣泛

　　10、低耗能，不受強(qiáng)電磁場(chǎng)影響；

　　11、電荷傳輸效率佳：該效率系數(shù)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(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。有些燒壞的CCD像素，經(jīng)過一段時(shí)間的帶電工作后，能自我恢復(fù)。

　　CCD主要生產(chǎn)廠商：

　　CCD產(chǎn)業(yè)前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5％的市場(chǎng)份額，在技術(shù)發(fā)展方面，主要廠商應(yīng)為索尼、飛利普，NEC和柯達(dá)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(dǎo)體?，F(xiàn)在都習(xí)慣用CCD當(dāng)作圖像傳感器的代名詞?，F(xiàn)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(chǔ)存、轉(zhuǎn)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(gè)獨(dú)立光刻單元的集合，它能存儲(chǔ)由光或電激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)電荷，當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸，并輸出電信號(hào)。下圖為行間轉(zhuǎn)移CCD（IT:InterlineTransfer）的工

　　作原理圖：

　　3、CCD的物理結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(gè)像素單元）：

　　每個(gè)單元為一個(gè)像素單元，在每個(gè)像素單元里，制作出一個(gè)光感區(qū)（光感二極管）、電荷儲(chǔ)存區(qū)、電荷轉(zhuǎn)移區(qū)和益漏溝槽、電極等。如下圖簡(jiǎn)示：

　　從上面的示意圖（正面圖）可以看出，每一個(gè)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，內(nèi)含一個(gè)光感二極管和與其一起工作的開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管，轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存器，像素之間還有益流溝和轉(zhuǎn)移珊等，因此感光面約占每個(gè)像素面積的1/2左右的面積，增大感光面積很重要，因?yàn)楦泄饷娣e越大，光感二極管采集的光就越多，成像質(zhì)量就越高，但是，感光區(qū)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(qū)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(gè)像素點(diǎn)的面積有限，目前解決的的辦法是在每個(gè)感光區(qū)前面加一個(gè)光學(xué)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(zhuǎn)移方式結(jié)構(gòu)示意圖

　　5、下面以行間轉(zhuǎn)移型（IT:InterlineTransfer）CCD

　　的工作流程，說明CCD的工作原理。

　　CCD結(jié)構(gòu)如圖下所示，包含感光二極管（Photo-diode）、垂直寄存器、行信號(hào)輸出寄存器、控制柵、電荷檢測(cè)、數(shù)摸轉(zhuǎn)換器放大器等單元，其工作流程敘述如下：

　　行場(chǎng)間轉(zhuǎn)移型（IT:Interline

　　Transfer）CCD的工作流程圖

　　下面是一個(gè)面CCD圖像傳感器，現(xiàn)在說明其從時(shí)間順序上的工作過程：

　　1、在場(chǎng)信號(hào)的正掃描期間，感光區(qū)的感光二極管將其所受光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電子并儲(chǔ)存在感光區(qū)進(jìn)行積累；

　　2、在場(chǎng)掃描的逆掃描期（場(chǎng)消隱期），轉(zhuǎn)移控制柵從低電位轉(zhuǎn)成高電位，開通感光區(qū)與垂直儲(chǔ)存區(qū)（CCD），使感光區(qū)儲(chǔ)存的電荷轉(zhuǎn)移到垂直儲(chǔ)存區(qū)，轉(zhuǎn)移完成后，轉(zhuǎn)移控制柵電位變成低電位，結(jié)束電荷轉(zhuǎn)移，這個(gè)過程在逆掃描期（場(chǎng)消隱期）內(nèi)完成；

　　3、在場(chǎng)的正掃描期間，儲(chǔ)存在垂直存儲(chǔ)單元中的電荷，在Vф1、

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

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

　　移電荷；在場(chǎng)正掃描期內(nèi)，完成一幅圖像的轉(zhuǎn)移輸出。

　　彩色CCD的工作原理

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

　　1、三基色方案的工作原理

　　根據(jù)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(lán)（B）的三幅單色圖像（當(dāng)然也可以分離成其圖像的三補(bǔ)色的單色圖像），用三塊CCD

　　分別對(duì)其三基色圖像進(jìn)行獨(dú)立感光，根據(jù)需要，再將其三基色圖像信號(hào)合成為全彩色圖像信息信號(hào)進(jìn)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(yōu)點(diǎn)是：清晰度高，色彩還原好，后續(xù)處理方便。缺點(diǎn)是：代價(jià)高，三塊CCD同時(shí)工作并調(diào)試好才出廠；維修代價(jià)高，因?yàn)橐话憔S修，不能對(duì)三塊CCD進(jìn)行進(jìn)行光學(xué)重合調(diào)整，即使其中一塊CCD壞了，也要三塊CCD同時(shí)更換；光路設(shè)計(jì)要求高，在光通路上，要設(shè)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(duì)應(yīng)三塊CCD，且要求三塊CCD的圖像必須在物理視覺上重合，生產(chǎn)廠家必須將三塊CCD和分色鏡做在一起，所以生產(chǎn)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(lán)）三色濾光片，以1：2：1的構(gòu)成（如圖示）

　　即由四個(gè)像點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)彩色像素（即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個(gè)像點(diǎn)，剩下的兩個(gè)像點(diǎn)都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對(duì)綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術(shù)則將其中的一個(gè)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(shí)，其清晰度只有單色CCD的1/4，為了彌補(bǔ)這

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

　　計(jì)算方法和恢復(fù)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(fù)方法（算法）得出的恢復(fù)圖像，也有差別，比如有的圖像會(huì)偏黃，有的會(huì)偏紅，甚至對(duì)某種特定的顏色會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，比如分紅色被恢復(fù)成紫色，總之不管其算法如何，都不可能完全恢復(fù)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(fù)后的圖像也要產(chǎn)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?yàn)槊考议_發(fā)的算法都申請(qǐng)了版權(quán)，別的公司必須付費(fèi)后，才能使用，當(dāng)然每家開發(fā)的算法，也會(huì)具有自己的特點(diǎn)，同時(shí)也能表現(xiàn)自己公司的開發(fā)能力吧