CCD第四章解析.ppt

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1、CCD图像传感器CCD外形CCD通用外形为摄像系统中可记录光线变化的半导体，通常市面所见外形如下图，通常以百万像素megapixel为单位。CCD发展史1969年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的SONY公司也开始研究公司也开始研究CCD。1973年年1月，月，SONY中研所发表第一个以中研所发表第一个以96个图素并以线性感知个图素并以线性感知的二次元影像传感器的二次元影像传感器8H*8V(64图素图素)FT方式三相方式三相CCD。1974年年6月，彩色影像用的月，彩色影像用的FT方式方式32H*64VCCD研究成功了。研究成功了。1

2、976年年8月，完成实验室第一支摄影机的开发。月，完成实验室第一支摄影机的开发。1980年，年，SONY发表全世界第一个商品化的发表全世界第一个商品化的CCD摄影机摄影机 (编号编号XC-1)。1981年，发表了年，发表了28万个图素的万个图素的 CCD(电子式稳定摄影机电子式稳定摄影机MABIKA)。1983年，年，19万个图素的万个图素的IT方式方式CCD量产成功。量产成功。1984年，发表了低污点高分辨率的年，发表了低污点高分辨率的CCD。1987年，年，1/2inch25万图素的万图素的 CCD，在市面上销售。，在市面上销售。同年，发表同年，发表2/3inch38万图素的万图素的CCD

3、，且在市面上销售。，且在市面上销售。1990年年7月，诞生了全世界第一台月，诞生了全世界第一台 V8。CCD的分类从信号传输方式上分：全帧传输CCD、隔行传输CCD两种；从滤镜类型来分：原色CCD和补色CCD；从感光单元形状和排列方式来分：普通CCD和 超级CCDCCD生产厂家目前有能力生产 CCD的公司分别为：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp，泰半是日本厂商。CCD外形尺寸规格传统 4：3的规格走向 16：9/16：10更宽广的界线。然而，大多数 DSC消费型数字相机的 CCD长宽比，依然沿袭 1950年代电视规格标准刚制订时 4：3

4、的标准（3：2主要仍为 DSLR数字单眼机身所采用，另中片幅、专业数字机背享有1：1之正方形特殊规格）。主要是这方面设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。CCD外形尺寸信息CCD分辨率指的就是中有多少像素，也就是指这台数字相机的上有多少感光组件。3.2 光电器件-电荷耦合器件基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机CCD结构示意图 显微镜下的MOS元表面 一、电荷耦合器件的结构和工作原理1.基本结构CCD基本结构分两部分：（1）MOS（金属氧化物半导体）光敏元阵列；电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，

5、在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。（2）读出移位寄存器。MOS电容 CCD 是由规则排列的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。MetalOxideSemiconductor 2.电荷耦合器件的工作原理CCD光信息电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移CCD基本工作原理信号电荷的产生信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的存贮信号电荷的传输信号电荷的传输信号电荷的检测信号电荷的检测光电导效应光电导效

6、应(1)信号电荷的产生v当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。(2)信号电荷的存储 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电

7、物理效应基本原理。电荷耦合器件的光电物理效应电荷耦合器件的光电物理效应v读出移位寄存器a.CCD电荷耦合器件是以电荷为信号。b.读出移位寄存器也是MOS结构。c.由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元,在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲123。（3）电荷转移原理）电荷转移原理uCCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）(4)电荷耦合器信号输出CCD的组成结构CCD和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。CCD经过

8、长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。黑白CCD的组成结构图彩色CCD的组成结构分图CCD的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格 下：感应线路 由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的电子线路矩阵所组成 彩色CCD运行图彩色CCD运行图说明是1980年初，由SONY领先发展出来的技术。这是为了有效提升CCD的总画素，又要确保单一画素持续缩小以维持CCD的标准体积。因此，必须扩展单一画素的受光面积。但利用提高开口率来增加受光面积，反而使画质变差。所以，开口率只能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣

9、品。为改善这个问题 SONY率先在每一感光二极管上（单一画素）装置微小镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样，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。如此一来，可以同时兼顾单一画素的大小，又可在规格上提高了开口率，使感光度大幅提升。彩色CCD混色（RGB色）原理CCD的第二层是分色滤色片，这个部份的作用主要是帮助 CCD 具备色彩辨识的能力。回到源头，CCD 本身仅是光与电感应器，透过分色滤片，CCD 可以分开感应不同光线的成分，从而在最后影响处理器还原回原始色彩。彩色CCD的原色原理目前CCD有两种分色方式：一是 RGB原色分色法，另一个则是 CMYG补色分色

10、法，这两种方法各有利弊，过去原色和补色CCD的产量比例约在 2：1左右，2003年后由于影像处理引擎的技术和效率进步，目前超过 80都是原色 CCD的天下。彩色CCD的补色原理补色CCD由多了一个 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分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在 800以上。彩色CCD的感光层这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子讯号，并将讯号传送到影像处理芯片，将影像还原。这个部份可以说是 CCD 真正核心的部份，主要的 CCD 设计大致上分成几个区块。被称为画素 Pixel（Photodiodes）感光二极管，主要是应用于光线

11、感应部份，Gate 区有一部份被用作电子快门，蓝色区块则是布局为电荷通路，用来传导电荷之用。白色区块就是 Charge Drain，也有称为 Shielded Shift Registers，中文或可翻为电荷储存区，主要功用为收集经二极管照射光线后所产生之电荷。CCD工作方式一分解CCD结构可以发现，为了帮助 CCD能够组合呈彩色影像，网格被发展成具有规则排列的色彩矩阵，这些网格以红R、绿G和蓝B滤镜片所组成（三原色CCD），亦有补色CCD（为CMYG.Y黄色）。每一个CCD组件由上百万个 MOS电容所构成（光点的多寡端看CCD的画素而定）。当数字相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些马赛克色

12、块会让感光点的二氧化硅材料释放出电子负电与电洞正电。经由外部加入电压，这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接收的光量成正比。在一个影像最明亮的部位，可能有超过10万个电子被积存起来。CCD工作方式二图左：阶段一，图左：阶段一，CCD接受光线的照射产生电荷接受光线的照射产生电荷 /图右：阶段二，外加电压将图右：阶段二，外加电压将CCD所所产生产生的电荷移往缓冲区的电荷移往缓冲区图左：阶段三，电荷转换成电压，电压经图左：阶段三，电荷转换成电压，电压经 ADC判读数字讯号判读数字讯号 /图右：阶段四，依顺序图右：阶段四，依顺序将讯号移往缓冲区组合将讯号移

13、往缓冲区组合CCD的工作原理的工作原理CCD的结构就象一排排输送带上并排放满了小桶，光线就象雨滴撒入各个小桶，每个小桶就是一个像素。按下快门拍照的过程，就是按一定的顺序测量一下某一短暂的时间间隔中，小桶中落进了多少“光滴”，并记在文件中。一般的CCD每原色的光度用8位来记录，即其小桶上的刻度有8格，也有的是10位甚至12位，10位或12位的CCD在记录色彩时可以更精确，尤其是在光线比较暗时。早期的CCD是隔行扫描的，同一时刻，每两行小桶，只有一行被测量，这样可以提高快门速度，但图像精度大为降低。随着技术的进步，人们已能让CCD记录在几十分之一秒，甚至几千分之一秒的时间里，落进各个“小桶”的“光

14、滴”的量，所以，新的CCD一般都是逐行扫描的。CCD工作方式三曝光之后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位缓存器中，并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取出来。这些强弱不一的电荷讯号，会先被送入一个 QV（Electrontovoltageconverte）之中，将电荷转换成电压；下一步再将电压送入放大器中进一步放大，然后才是 A/D模拟数字讯号转换器（ADCAnalogtoDigitalConverter）。ADC转换器能将信号的连续范围配合色块码赛克的分布，转换成一个2D的平面表示列，它让每个画素都有一个色调值，应用这个方法，再由点组成网格，每一个点（画素）现在都有用以表示它所接受的光量的

15、二进制数据，可以显示强弱大小，最终再整合影像输出。CCD的的ADC转换电压至数字讯号示意图转换电压至数字讯号示意图ADC转换电压至数字讯号示意图转换电压至数字讯号示意图 ：此此 ADC为为8位处理器位处理器可以将电压讯号分成可以将电压讯号分成 256（0255）个位阶判读个位阶判读ADC位数的多寡将决定画质的精细程度，目前位数的多寡将决定画质的精细程度，目前 SONY量产量产 14位之位之ADC，多数的数字相机都可达到，多数的数字相机都可达到 12位以上位以上Linear纯线性纯线性线型线型CCD是以一维感光点构成，透过步进马达扫瞄图像，由于照片是一行行组成，所以速度较使用 2维CCD的数字相

16、机来得慢。这型CCD大多用于平台式扫描仪之上。InterlineTransfer扫瞄型扫瞄型CCD的曝光步骤就如同前面所介绍的相同，IL型 CCD的优点在于曝光后即可将电荷储存于缓存器中，组件可以继续拍摄下一张照片，因此速度较快，目前的反应速度以已经可达每秒 15张以上。相对性的缺点则是暂存区占据了部份感光面积，因此动态范围（DynamicRange-系统最亮与最暗之间差距所能表现的程度）较小。不过，由于速度快、成本低，市面上超过 8成以上的数字相机都采用 IL型 CCD为感光组件 全景全景Full-Frame全像全像 CCD则是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL的缺点，FF改良可以利用整

17、个感光区域（没有暂存区的设计），有效增大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 FFCCD的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF必须使用机械快门（无法使用 IL的电子 CLOCK快门)，同时也限制了FFCCD的连续拍摄能力。Full-FrameCCD大多被用在顶级的数位机背上。Frame-Transfer全传全传全传全传 CCD的架构则是介于 IL和 FF之间的产品，它分成两个部分上半部分是感光区，下半部则是暂时存储区。整体来说 Frame-TransferCCD非常的

18、类似 Full-FrameCCD，它的特点在于直接规划了一个大型暂存区。一旦FTCCD运作，它可以迅速将电荷转移到下方的暂存区中，本身则可以继续曝光拍照。这个设计，让FT同IL一样可以使用电子快门，但同时也可增加感光面积和速度。FTCCD主要是由 荷兰 Philips公司开发，后来技术移转给 SANYO公司发展成 VPMIX技术。三洋对 VPMIX的改良相当成功，使它的数字相机能兼具静态和动画的拍摄能力（可达 30fps的拍摄速度-在动画运用上非常出色）。此外，FT型 CMOS也被应用于 FillfactorCMOS，作为提高高阶 SLR连拍能力的设计。全帧传输全帧传输CCD和隔行传输和隔行传

19、输CCD的工作原理的工作原理在每个像素单元中，有70的面积用来制造光电二极管。整个像素的框内几乎全是感光面积。不需要也没办法放置更大面积的光学镜片来提高它的采光量。它的读出顺序和隔行传输CCD是一样的。这种结构的好处是，可以得到尽量大的光电二极管，达到更好的成像质量。可以说，同样的CCD面积，全帧传输肯定会有更好的性能。全帧传输CCD在感光器件中的每个光电二极管的有效像素的面积更大，从而可以捕捉到更多的图像数据。一般而言，全帧传输CCD能够捕捉到的有效图像数据大约是隔行传输CCD的两倍，从而具有更大的动态范围、更低的噪点和较高的感光度等优点，从而改善了暗部和高光部分的细节表现。但是全帧传输CC

20、D不能输入视频图像，不能用液晶屏做取景器，必须以机械快门配合工作。彩色CCD的分色图彩色CCD的分色原理以 GRGB 原色色彩数组来说，R 色滤光片其实内部包含了洋红与黄两种色调的滤片，透过补色机制（见下图），使其底部的感光区可以感受到红色的光线（上图左）；相对地，补色 CCD（上图右），同学们可以发现，其中只有一层染料色片，例如：Y 黄色，就阻挡了蓝光的进入，由红绿两光形成红色色块，也因此补色CCD 可以吸收更多的光线，其感光能力也比原色 CCD 强得多，但处理起来因为还是要还原成 RGB 系，对于影像处理引擎的负担较为沉重。彩色CCD的插值彩色CCD在分色计算程序过程中，如果一张数字图片的

21、色彩只有 25的红色和蓝色与 50的绿色，这三个素材迭合起来的完成图无法成彩色画面，为了补强色彩不足的部份，CCD 取样完成后，影像处理引擎必须进入插值 Interpolation工作阶段，将不足的 75的红色与蓝色和另外50的绿色，透过数据计算的方式加进影像档案之中，使其构成完整各 100的 RGB 三原色档案，最终合成为一数字照片。CCDISO感光能力定义使用 CCD作为感光组件，无法像传统相机一样选择底片来换成较高（ISO1600）或较低（ISO50）的感光能力。新技术的进步，让 CCD可以拥有媲美高感度底片之 ISO1600的感光能力。CCDISO感光能力提高途径CCD提高 ISO的能

22、力通常分为硬体和软件处理上的设计，例如：简化来自特定区域 CCD上的画素信号来提高 ISO表现（因为CCD无法在物理上增大感光面积，只好联合矩阵在处理上仿真大感光面积的方式，所以ISO越高就必须相对的降低分辨率-见下图），但这也相对的降低了影像的色调范围。而软件处理则是根据数据运算，取得合理的曝光表现，但通常也会伴随着噪声的产生。CCDISO感光能力对比图片CCDISO感光能力决定因素CCD倒车摄像机最大的ISO值主要是取决于最低的可接受的信噪比（S/N）。克服 S/N的最大关键乃是位于 CCD组件中的电极暗电流-Blacklevel电荷。CCDISO感光能力电极暗电流定义暗电流是指在没有入射

23、光的情况下CCD所仍具有之电荷量，理想的CCD其暗电流应该是零，但部分游离电荷会残存在电极之间，导致没有光线下CCD还是感应到些许的电荷存在，形成了看到了的杂像！CCDISO感光能力电极暗电流影响因素一S/N的强度还会随温度增高而增加（每增加 10，S/N可能增加 1倍）。因此，在连续施加电源过久的情况下，机体温度过热会导致画面的噪声增加。CCDISO感光能力电极暗电流影响因素二曝光过度也会使景物较为明亮区域的CCD带有过量电子。一般来说 CCD会忠实的反应其结果，就是曝光过度的白光！。不过，在极端情况下，CCD的电子会渗进邻近的电极当中，导致数字影像拖出长白光迹或变色光影。彩色CCD的界限解

24、析度界限解析度是对彩色CCD画面清晰度评价指标。界限解析度会因个人的视觉差异而得出不同的数值。界限解析度跟CCD的光圈补正量、MONITOR的辉度特性及个人差异有关。什么是最低照度？最低照度是测量摄像机感光度的一种方法，换句话说，摄像机能在多黑的条件下看到可用的影像。但是因爲没有管理的国际标准，因此每个大型CCD制造商都有自己测量CCD感光度的方法。决定CCD最低照度的参数F停止 (用来测试摄像机用的镜头F停止，F1.4的镜头比F2.0的镜头能采集2倍的光线，换句话讲，F1.0的镜头比F10的镜头能多采集100倍的光线)色温 (光源的色温，也就是光谱内容，一个有600纳米波长的光源将比波长为9

25、00纳米波长的光源多产生10倍的电子)IRE(视频振幅的IRE等级，视频输出最大振幅一般设置在100IRE或者700毫伏)反射率 (目标的反射率和背景，一个有100%反射率的目标平面上能产生比只有1%反射率的目标高出100倍的光线。)CCD的漏光排斥比的物理含义是什么？由于CCD传感器的缺陷，进入CCD传感器的强光 将会穿透抵抗层产生过度的影像，CCD摄像机抵抗强光的能力称为漏光排斥比 拖光影像 无拖光影像 彩色CCD漏光排斥计算漏光排斥比的方程式S=20 xlog(Ys/200mVx1/500 x1/10)S=漏光排斥比dBYs=电子快门关闭时强光产生的视频200mV=标准目标和背景使用孔径

26、设置为F5.6的镜头产生的视频500=比普通情况强出500倍的强光来产生拖光影像10=以普通影响1/10伏特测量拖光影像例如如果在以上测试环境下测量到200毫伏的拖光影像，则S等于S=20log(200mV/200mVx1/500 x1/10)=20log(1/5000)=20(-3.5)=70dB什么是超级CCD？传统彩色CCD感光单元及滤色镜的排列是方形的，以G-R-G-B型CCD为例，可以简单的理解为4个感光单元的中心点构成一个“像素点”，这样，每个感光单元的光值都是复用的，使用了4次（边缘部位除外），每4个感光单元计算出4个像素。在超级CCD上，感光单元的排列是交叉的，即每三个感光单元

27、的中心构成一个“像素点”。这种计算方法，每个感光单元的光值复用了6次，感光单元又只有3类，所以，虽然感光单元没有增加，产生的像素数却多了一倍。应该说，这种计算方法，是相当科学的，并没有故弄玄虚，但由于光值仍然是复用的，说它因排列方式的改变而比传统CCD提高了成像锐度是没有根据的。什么是插值像素？它能代表CCD实际像素吗？“插值”最初是电脑的术语，后来引用到数码图像上来。图像放大时，像素也相应地增加，但这些增加的像素从何而来？“插值”程序会自动选择信息较好的像素作为增加的像素，而并非只使用临近的像素，所以在放大图像时，图像看上去会比较平滑、干净但必须注意的是插值并不能增加图像信息。例如：一张照片

28、中，人因为距离比较远，在照片上只有一个白点，但当图像插值放大时，这个人还是白点，只是比以前稍微大了些。关于CCD逐行扫描与隔行扫描的区别？隔行、逐行只是数据处理方式的不同；隔行技术源于早期电视技术，是先提取奇数行的数据形成图像轮廓，再用偶数行数据补充，因那时的技术限制，数据处理速度跟不上，就采取隔行方式，用于连续图像，可以先把画面轮廓送到观众面前。由于不是连续扫描，若成像过程中被摄体移动，就会出现错位。如果数据采集速度慢，逐行扫描的CCD拍摄动体也会出现扭曲，反之，如果数据采集速度足够快，隔行扫描也没有什么问题尽管从技术层面来讲逐行扫描CCD是好一些，但从日本的相关资料了解到，由于同样大小CC

29、D像素的不断增加，CCD中传送信号的通路无法适应逐行扫描得到的一次性的大量的数据，会造成图象处理速度的下降。因此在高像素的摄像机中隔行扫描的技术的应用越来越多。至于隔行扫描会造成的错位问题，已经得到了解决，解决的办法是利用机械快门的运动。考虑到其它因素对成像的影响远大于此。CCD的坏点和噪点有什么区别？成像元件（CCD或CMOS，目前一般指CCD）一般有数百万个感光单元，如果其中某个感光单元损坏，不能成像，即成为坏点-DeadPixel。数码摄影和传统相机不同，传统相机拍摄时很少因电子零件产生的杂讯干扰影响拍摄品质。但是数码摄影的杂讯产生环境就复杂多了，从操作过程中机体升温效应，CCD上的残留

30、能量以致于机身零件本身，甚至来自外界的电磁波干扰都有可能会在画面上形成杂色的斑点，此为噪点-hotpixel。富士发表第三代富士发表第三代SuperCCD2002年元月三十日年元月三十日，富士发表第三代富士发表第三代 SuperCCD未经许可，不得随意拷贝和转发美国美国Foveon公司发表多层感色公司发表多层感色CCD技术技术2002年二月十一日年二月十一日-美国美国 Foveon公司发表多公司发表多层感色层感色 CCD技术技术 未经许可，不得随意拷贝和转发SONY发表四色感应发表四色感应CCD2003年七月十六日年七月十六日 SONY发表四色感应发表四色感应 CCD未经许可，不得随意拷贝和转

31、发传统的 CCD 为三原色矩阵新 SONY CCD 将浅绿色加入，新一代的 CCD 不仅在省电及功率上做文章，对色彩的表现有了更多的着墨。日本 SONY 公司一改以往三色 CCD 的传统，创新推出一个具备新颜色的四色过滤器CCD 命名为 ICX456。新增的 E 这个颜色是Emerald 祖母绿！不同于以往三个原色 RGB，E这个颜色加强了对自然风景的解色能力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。应用的效果有点类似喷墨打印机加装淡蓝和洋红这两支淡色，以期能够增强混色能力与效果，此外配合新色阶的 CCD，SONY 也开发了新图像处理机，不仅有效的减少了 30的功率消耗，更加快了处理速度和绿色色阶分析能力。