CCD知識簡介

1. CCD介紹 

 圖像采集和(hé / huò)處理的(de)過程，最基本的(de)是(shì)要(yào / yāo)把實物盡量真實地(dì / de)反映到(dào)虛拟的(de)圖像

由于(yú)光電轉換設備和(hé / huò)放大(dà)設備都是(shì)針對微觀的(de)電荷進行操作。就(jiù)需要(yào / yāo)一(yī / yì ／yí)個(gè)精密的(de)器件來(lái)完成這(zhè)兩個(gè)過程，我們常用的(de)是(shì)CCD和(hé / huò)COMS。

 2. CCD工作原理

由上(shàng)面兩圖可看出(chū)：

CMOS和(hé / huò)CCD最大(dà)的(de)區别就(jiù)是(shì)CMOS的(de)

電荷到(dào)電壓轉換過程是(shì)在(zài)每個(gè)像素上(shàng)完成的(de)

3. CCD與CMOS

(1) 由于(yú)上(shàng)面所說(shuō)的(de)結構，CCD的(de)電路更改就(jiù)更方便。而(ér)由于(yú)CMOS的(de)過分集成，電路更改就(jiù)不(bù)方便。但可靠性高。

(2) CMOS功耗小。

(3) CMOS噪聲大(dà)。

(4) CMOS靈敏度差。

(5) CMOS速度快，由結構決定。

(6) 成本CMOS便宜些。

從以(yǐ)上(shàng)的(de)對比可以(yǐ)看出(chū)：CCD在(zài)圖像的(de)質量上(shàng)更有優勢。而(ér)常見的(de)高速攝像頭則會采用CMOS芯片。

光子(zǐ)到(dào)電壓的(de)轉化要(yào / yāo)經曆如下過程：

A.有一(yī / yì ／yí)個(gè)光電轉換裝置把入射到(dào)每一(yī / yì ／yí)個(gè)感光像素上(shàng)的(de)光子(zǐ)轉化爲(wéi / wèi)相應數量的(de)電荷

B.這(zhè)些電荷可以(yǐ)被儲存起來(lái)

C.電荷可以(yǐ)被有秩序地(dì / de)轉移出(chū)感光區域

D. 電荷都要(yào / yāo)經過放大(dà)器轉化爲(wéi / wèi)電壓量

CCD單元部分，就(jiù)是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)由金屬-氧化物-半導體組成的(de)電容量，簡稱MOS。

當有光子(zǐ)射到(dào)CCD的(de)光電轉換層時(shí)，CCD表面就(jiù)會産生電荷。

因爲(wéi / wèi)每個(gè)CCD單元都是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)電容器，所以(yǐ)它能儲存電荷。但是(shì)，當有電荷注入時(shí)，勢阱深度将随之(zhī)變淺，因爲(wéi / wèi)它始終要(yào / yāo)保持極闆上(shàng)的(de)正電荷總量恒等于(yú)勢阱中自由電荷加上(shàng)負離子(zǐ)的(de)總和(hé / huò)。

這(zhè)一(yī / yì ／yí)過程存在(zài)着以(yǐ)下問題：

當一(yī / yì ／yí)個(gè)像素聚集過多的(de)電荷後，就(jiù)會出(chū)現電荷溢出(chū)，溢出(chū)的(de)電荷會跑到(dào)相臨的(de)像素勢阱裏去。這(zhè)樣電荷的(de)電量就(jiù)不(bù)能如實反映原物。也(yě)就(jiù)是(shì)常說(shuō)的(de)blooming。

要(yào / yāo)避免這(zhè)種情況發生的(de)方法：

A.把桶做大(dà)些

B.讓雨早點停

C.間歇地(dì / de)，把裝滿水的(de)桶倒出(chū)一(yī / yì ／yí)些

D.做個(gè)導流管，讓溢出(chū)的(de)水流到(dào)地(dì / de)上(shàng)去，不(bù)要(yào / yāo)流到(dào)其他(tā)桶裏

對應的(de)方法：

A.增大(dà)單位像素尺寸

B.縮短曝光時(shí)間

C.間歇開關時(shí)鍾電壓

D.溢出(chū)溝道(dào)和(hé / huò)溢出(chū)門

缺點：對于(yú)暗的(de)部分曝光不(bù)足，會降低速度,制作複雜，且還有缺陷，所以(yǐ)，增大(dà)像素尺寸是(shì)最完善的(de)做法。

當一(yī / yì ／yí)個(gè)CCD芯片感光完畢後。每個(gè)像素所轉換的(de)電荷包，就(jiù)按照一(yī / yì ／yí)行的(de)方向轉移出(chū)CCD感光區域。爲(wéi / wèi)下一(yī / yì ／yí)次感光放空間。

4. 電荷轉移

CCD中電荷包的(de)轉移是(shì)由各極闆下面的(de)勢阱不(bù)對稱引起的(de)，電壓高的(de)地(dì / de)方，就(jiù)會産生相對的(de)勢阱，電荷會聚集在(zài)勢阱裏。當高電壓的(de)位置按照一(yī / yì ／yí)定方向轉移時(shí)，勢阱的(de)位置也(yě)會随之(zhī)轉移，如此，電荷就(jiù)會随着移動。

把CCD的(de)電極分爲(wéi / wèi)幾組，相同組的(de)電極施加相同的(de)電壓來(lái)實現勢阱的(de)移動。按照分組情況，可分爲(wéi / wèi)：2相，3相和(hé / huò)4相CCD。

2相CCD勢阱與勢壘依次間隔一(yī / yì ／yí)個(gè)電極的(de)寬度

而(ér)4相CCD，其勢阱與勢壘各占據2個(gè)電極的(de)寬度阻隔相鄰像素間電荷的(de)溢出(chū)能力更強，适用于(yú)高速時(shí)鍾。

5. Scan & Transfer

根據陣列排布方式的(de)不(bù)同，CCD成像器件分爲(wéi / wèi)線陣列和(hé / huò)面陣列兩大(dà)類。

線陣CCD的(de)構造相對簡單，隻是(shì)單行的(de)感光和(hé / huò)轉移。

而(ér)面陣芯片複雜一(yī / yì ／yí)些。下面是(shì)一(yī / yì ／yí)些常見的(de)面陣排列方式。

陣列的(de)每一(yī / yì ／yí)個(gè)像素都感光，傳輸時(shí)，每一(yī / yì ／yí)列向單行串行寄存器上(shàng)相對應的(de)位置轉移。同時(shí)，串行寄存器向陣列的(de)出(chū)口轉移陣列的(de)一(yī / yì ／yí)半像素感光，另一(yī / yì ／yí)半被遮住，傳輸時(shí)，首先感光部分快速向不(bù)感光部分的(de)對應位置轉移。之(zhī)後每一(yī / yì ／yí)列向單行串行寄存器上(shàng)相對應的(de)位置轉移。同時(shí)，感光部分的(de)空間由于(yú)沒有了(le／liǎo)電荷可以(yǐ)繼續感光。

對比一(yī / yì ／yí)下Full frame  和(hé / huò) Frame transfer 兩種傳輸模式。

Frame transfer 的(de)優勢在(zài)于(yú)，利用了(le／liǎo)像素間傳輸快的(de)特點，從而(ér)忽略這(zhè)一(yī / yì ／yí)時(shí)間，使得，在(zài)上(shàng)一(yī / yì ／yí)幀電荷轉移出(chū)芯片的(de)同時(shí)可以(yǐ)采集下一(yī / yì ／yí)幀圖像。同時(shí)，這(zhè)種模式，可以(yǐ)不(bù)加任何快門工作。但這(zhè)樣做，畢竟還是(shì)會在(zài)很短的(de)一(yī / yì ／yí)段時(shí)間裏，使得傳輸的(de)電荷還在(zài)接收新感光得到(dào)的(de)電荷。從而(ér)使圖像出(chū)現一(yī / yì ／yí)些類似拖尾的(de)光斑，這(zhè)就(jiù)是(shì)常說(shuō)的(de)SMEAR現象。要(yào / yāo)避免這(zhè)種現象，最好是(shì)給SENSOR加上(shàng)快門。

Full frame  由于(yú)sensor始終曝光，所以(yǐ)在(zài)傳輸時(shí)，快門遮擋是(shì)必須的(de)。

那麽，對于(yú)這(zhè)種芯片的(de)缺點，既不(bù)能充分利用所有入射光，也(yě)有一(yī / yì ／yí)些新的(de)技術可以(yǐ)彌補，比如，微透鏡技術。

微型透鏡技術的(de)特點在(zài)于(yú)：
微透鏡陣列覆蓋CCD的(de)全部表面，它能将入射的(de)全部光線會聚在(zài)光電二極管上(shàng)，這(zhè)樣，入射光将得到(dào)接近100％的(de)利用；
使用微透鏡技術可縮小光電二極管的(de)尺寸，從而(ér)提高圖像傳感器的(de)靈敏度；
光電二極管的(de)尺寸縮小了(le／liǎo)，噪聲也(yě)随着降低了(le／liǎo)；
光電二極管的(de)尺寸縮小，可以(yǐ)有更大(dà)空間用于(yú)布置電子(zǐ)元器件和(hé / huò)傳輸溝道(dào)等，促使CCD整體性能的(de)提高。

此外，在(zài)CCD的(de)制作過程中，還有一(yī / yì ／yí)些其他(tā)非常有用的(de)技術。

Binning 的(de)作用，在(zài)于(yú)，把相臨幾個(gè)像素所積累的(de)電荷累加起來(lái)。作爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)個(gè)電荷進行轉換。這(zhè)樣做的(de)效果，相當于(yú)把幾個(gè)像素拼成了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)大(dà)像素使用。優點，速度快。缺點，分辨率降低。

Binning  2*2

Vertical Binning

上(shàng)面所述，都是(shì)按照，單行，單列的(de)模式進行電荷傳輸的(de)。其實，如果單行的(de)像素太多，會影響傳輸速度。這(zhè)時(shí)可以(yǐ)使用多溝道(dào)傳輸。

彩色形成，需要(yào / yāo)同一(yī / yì ／yí)點的(de)R/G/B三原色的(de)數值。

1.用空間疊放的(de)三片CCD，分别感R，G，B光，并在(zài)感光後過濾掉相應色光。

2.利用棱鏡，将光線折射成三部分。在(zài)R，G，B三束光線的(de)方向上(shàng)分别帖上(shàng)三片感光片，各自感光。

3.利用BAYER濾光片，讓相臨四個(gè)像素分别隻能接收R，G，G，B光。每個(gè)像素輸出(chū)的(de)信息隻是(shì)相應色光的(de)灰度值。之(zhī)後，通過軟件合成爲(wéi / wèi)彩色。這(zhè)樣，每個(gè)像素的(de)彩色信息其實是(shì)不(bù)獨立的(de)，依賴于(yú)相臨像素的(de)信息。

4.SUPER CCD ，一(yī / yì ／yí)個(gè)蜂窩型的(de)CCD感光片，每個(gè)像素被使用3次，相當于(yú)增大(dà)了(le／liǎo)有效像素數量。

CCD的(de)重要(yào / yāo)特性和(hé / huò)技術對于(yú)采集圖像的(de)影響。

A.有效像素多，拍攝的(de)圖像精度更高

B.幀頻高，速度快，拍攝的(de)運動過程更細緻

C.CCD的(de)芯片，圖像質量要(yào / yāo)比CMOS的(de)好一(yī / yì ／yí)些，但速度慢

D.像素尺寸大(dà)，能夠更多地(dì / de)接收光子(zǐ)，不(bù)容易飽和(hé / huò)

E.對于(yú)高精密測量，應盡量使用整個(gè)像素面積都感光的(de)芯片,如Full frame 和(hé / huò) Frame transfer

F.使用多通道(dào)傳輸的(de)芯片，能提高傳輸速度

G.抗光暈技術，能夠防止過度曝光對圖像的(de)影響

H.使用棱鏡技術的(de)彩色CCD芯片，色彩更真實

I.光譜響應範圍寬，可以(yǐ)對多種類的(de)光敏感