西电《光电检测》之9-CCD

CCD/CMOS•CCD•1969年由美国贝尔实验室（BellLabs）的维拉·博伊尔(WillardS.Boyle)和乔治·史密斯（GeorgeE.Smith）所发明•当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。•将这两种新技术结合起来后，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge“Bubble”Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。•但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。•70年代，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生•CCD简介•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。•CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的TTL和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，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。•CCD功能特性•CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。•其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。•CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类•线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。•线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。•面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。•CCD的应用•CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。•方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。•CCD彩色数码相机•一般是将拜尔滤镜（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。•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。•所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。•有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。•衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及ＣＣＤ尺寸是重要的指标。•像素数是指ＣＣＤ上感光元件的数量。显然，像素数越多，画面就会越清晰，理论上ＣＣＤ的像素数量应该越多越好。•但ＣＣＤ像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。•四色CCD是索尼公司在2003年推出的一种CCD新技术。四色即红绿蓝品红（RGBE）相对与传统的三色（红绿蓝），四色CCD的色彩还原错误率进一步降低。因而使色彩还原更逼真。•首款采用四色CCD的数码相机是SONYDSC—F828•“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，实际上就是CCD对角线的长度•一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸•在像素数一样的情况下，CCD尺寸越大单位像素就越大。这样，单位像素可以收集更多的光线，因此，理论上可以说有利于提高画质•数码相机画质的好坏不仅是由CCD决定的。镜头以及通过CCD输出的电信号形成图像的电路的性能等也能够影响到相机的画质。所谓的“大尺寸CCD＝高画质”是不正确的。•1/2.7英寸为6.6mm，1/1.8英寸约为9mm•CCD数码摄像机•CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号寄存器、信号放大器、数摸转换器等；•1.感光二极管（Photodiode）•2.并行信号积存器（ShiftRegister）：用于暂时储存感光后产生的电荷。•3.并行信号寄存器（TransferRegister）：用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大。•4.信号放大器：用于放大微弱电信号。•5.数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号。•CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层•1.微型镜头•微型镜头为CCD的第一层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。•“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决定，而改由微型镜片的表面积来决定。•2.分色滤色片•分色滤色片为CCD的第二层，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法。•RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成.RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。•CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。•原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。•一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。•补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上•3.感光层•感光层为CCD的第三层，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。•1、依成像色彩划分•彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。•黑白摄像机：适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用黑白摄像机。对于成像要求较高的科学研究，一般也会选择黑白相机，因为很白相机拍摄出来的图片比彩色照片更接近真实的物体（因为彩色图片都是经过滤光片处理过的图片，而黑白照片是由为处理的光线形成的照片）•2、依分辨率灵敏度等划分•影像像素在38万以下的为一般型，其中尤以25万像素（512*492）、分辨率为400线的产品最普遍。•影像像素在38万以上的高分辨率型。•3、按CCD靶面大小划分•目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”。•1英寸——宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。•2/3英寸——宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。•1/2英寸——宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。•1/3英寸——宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。•1/4英寸——宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。•4、按扫描制式划分•PAL制、NTSC制•中国采用隔行扫描（PAL）制式（黑白为CCIR），标准为625行，50场，只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。•日本为NTSC制式，525行，60场（黑白为EIA）。•5、依供电电源划分•110VAC（NTSC制式多属此类）•220VAC•24VAC•12VDC•9VDC（微型摄像机多属此类）•6、按同步方式划分•内同步：用摄像机内同步信号发生电路产生的同步信号来完成操作。•外同步：使用一个外同步信号发生器，将同步信号送入摄像机的外同步输入端。•功率同步（线性锁定，linelock）：用摄像机AC电源完成垂直推动同步。•外VD同步：将摄像机信号电缆上的VD同步脉冲输入完成外VD同步。•多台摄像机外同步：对多台摄像机固定外同步，使每一台摄像机可以在同样的条件下作业，因各摄像机同步，这样即使其中一台摄像机转换到其他景物，同步摄像机的画面亦不会失真。•7、按照度划分，CCD又分为：•普通型正常工作所需照度1~3LUX•月光型正常工作所需照度0.1LUX左右•星光型正常工作所需照度0.01LUX以下•红外型采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像•CCD彩色摄像机的主要技术指标•CCD尺寸，亦即摄像机靶面。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。•CCD像素，是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。现在市场上大多以25万和38万像素为划界，38万像素以上者为高清晰度摄像机。•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。分辨率是用电视线（简称线TVLINES）来表示的，彩色摄像头的分辨率在330~500线之间。•分辨率与CCD和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，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。是CCD对环境光线的敏感程度，或者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯（LUX），数值越小，表示需要的光线越少，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。•扫描制式。有PAL制和NTSC制之分。•摄像机电源。交流有220V、110V、24V，直流为12V或9V。•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。•视频输出。多为1Vp-p、75Ω，均采用BNC接头。•镜头安装方式。有C和CS方式，二者间不同之处在于感光距离不同。•CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件，尤其是片幅规格较大的单眼数码相机。•虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的数码─类比转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为数码讯号输出。•1963年，仙童半导体（FairchildSemiconductor）的FrankWanlass发明了CMOS电路。•1968年，美国无线电公司（RCA）一个由亚伯·梅德温（AlbertMedwin）领导[1]的研究团队成功研发出第一个CMOS集成电路（IntegratedCircuit）。•CMOS与CCD的区别•CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。•CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；•CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。•造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。•1.灵敏度差异：•由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体