CCD传感器教程

2020/1/241CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD图像传感器2020/1/242CCD-电荷耦合器件，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。2020/1/243CCD的基本工作原理一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。2020/1/244CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。2020/1/245CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Luckyimaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。2020/1/246英美科学家分享2009年诺贝尔物理学奖2009年10月6日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔(中国香港)科学家高锟以及美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。瑞典典皇家科学院说:“高锟在有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。”2020/1/247CCD工作原理CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层，2020/1/2481.微型镜头（第一层）微型镜头为CCD的第一层，我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而定，而改由微型镜片的表面积来决定。2020/1/2492.分色滤色片（第二层）两种方法：一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法RGB（Red,Green，Blue）三原色分色法，几乎所有人类眼睛可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成。用三个通道调色。优点：画质锐利，色彩真实。缺点：是噪声问题，采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400yellow黄-，cyan青，magenta品红CMYK（青C、品红M、黄Y、黑K）由四个通道的颜色配合而成。优点：补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较细，感光度一般可设定在800以上缺点：牺牲了部分影像的分辨率（由于通道多）在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB多。2020/1/2410感光原件对光的敏感度。数值越高，对光的敏感度越强，需要的光越少（曝光时间短，适合在黑暗中拍照），噪点越大。数值越小，敏感度越弱，需要的光越多，噪点越少。（快门速度、光圈大小、感光度的关系？低ISO时要多光照。）在光学中指两种色光以适当地比例混合而能产生白色感觉时，则这两种颜色就称为“互为补色”三原色：红、绿、蓝R、G、B三补色：青、品、黄C、M、Y所谓一种原色的补色即为除此原色外另外两种原色的和色。三原色中，红与绿的和色为黄，绿与蓝的和色为青，红与蓝的和色为品。2020/1/2411红绿蓝品红黄青互为补色对照表2020/1/24123.CCD感光层（第三层）负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生产的芯片，现在韩国三星等也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。2020/1/2413CCD的选购：检测方法：1、接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花大不大。2、然后打开光圈，看一个静物，如果是彩色摄像头，最好摄取一个色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。好的CCD可以很好的还原景物的色彩，使物体看起来清晰自然；3、而残次品的图像就会有偏色现象，即使面对一张白纸，图像也会显示蓝色或红色。个别CCD由于生产车间的灰尘，CCD靶面上会有杂质，在一般情况下，杂质不会影响图像；4、在弱光或显微摄像时，细小的灰尘也会造成不良的后果，一定要仔细挑选。2020/1/2414CCD传感器的分类：1．成像色彩划分：彩色/黑白2．成像分辨率划分：像素多少，达到2000万像素3．按CCD靶面大小划分？4．按扫描制式划分：PAL制、NTSC制。NTSC是日本美国采用的；PLA是我国欧洲采用的。ntsc制每秒钟有29.97帧。pal制每秒钟有25帧。ntsc与pal制都为隔行扫描。因此都含有场。ntsc为偶数场。pal为奇数场。可简单理解为ntsc的第一帧显示为2，4，6，8……行。pal的第一帧显示为1，3，5，7，9……行具体数据非常多，了解基本就行。对于一般而言主要是帧和分辨率的差异5．按供电电源划分：110VAC；220VAC；24VAC；12VDC；9VDC（微型摄像机多属此类）。6．按同步方式划分：内同步；外同步；功率同步；外VD同步；7．按照度划分：普通型需照度1~3LUX；月光型需照度0.1LUX；星光型需照度0.01LUX以下；红外型，在没有光线的情况下也可以成像2020/1/2415按CCD靶面大小划分1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”2020/1/2416CCD彩色摄像机的主要技术指标：尺寸：原多为1/2英寸，现在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。像素：决定显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。38万像素以上为高清晰度摄像机。水平分辨率：彩色摄像机的典型分辨率是在320到500电视线之间，主要有330线、380线、420线、460线、500线等不同档次。通常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。最小照度：也称为灵敏度。正常成像时所需要的最暗光线。需要的光线越少，摄像头也越灵敏。月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件，2~3lux属一般照度，现在也有低于1lux的普通摄像机问世。信噪比：典型值为46db，若为50db，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60db，则图像质量优良，不出现噪声。2020/1/2417三线传感器CCD三线传感器CCD：在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数码摄影机，和一部份的半专业级数码摄影机采用3CCD技术。目前，超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄影者的预算。2020/1/2418在数码相机领域，CCD的应用更是异彩纷呈。一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayerfilter）加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。经冷冻的CCD（冷CCD)同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，而各大型天文台亦不断研发高像数CCD以拍摄极高解像之天体照片。一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升。2020/1/2419MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片彩色CCD光敏元显微照片（放大7000倍）2020/1/2421CCD图像传感器的分类线阵CCD外形2020/1/2422面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。2020/1/2423面阵CCD外形（续）200万和1600万像素的面阵CCD2020/1/2424面阵CCD外形（续）2020/1/2425面阵CCD外形（续）2020/1/2426CCD的基本特性参数CCD的基本特性参数有：光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素数目相同的条件下，像素点大的CCD芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储能力，因此可提高动态范围及其他指标。2020/1/2427CCD图像传感器的应用线阵CCD在扫描仪中的应用2020/1/2428线阵CCD在图像扫描中的应用线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描2020/1/2429线阵CCD用于字符识别2020/1/2430CCD数码照相机数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。2020/1/2431CCD用于图像记录2020/1/2432数码相机的外形2020/1/2433三基色分离原理CCD数码照相机的结构2020/1/2434数码相机的结构解剖（索尼F828）CCD2020/1/2435CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片2020/1/2436CCD数码摄像机2020/1/2437CMOS图像传感器CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMO