CCD发展史
奶昔减肥-
[
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]
CCD
发展史
CCD
是
于
1969
年由美国贝尔实验
室（
Bell
Labs
）的维拉
·
博伊尔
(Willard
S.
B
oyle)
< br>和
乔治
·
史密斯
（
George
E.
Sm
ith
）所发明的。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，波义耳和史
密斯得出一种装
置
，他
们命名为
“
电荷
„
气泡
‟
元件
”
（
Charge
Devices
）。这
种装置的特性就
是它能沿着一<
/p>
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。
到了
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
。有几家公司
接续此一发明，着手进行进一步的研
究，包括快捷
半导体（
Fairch
ild
Sem
iconductor
）、美国无线电公司（
RCA
）和德州仪器（
Texas
Instrumen
ts
）。
其中快捷半导
体的产品率先上
市，于
1974
年发表
500
单元的线性装置和
100x100
像素的平面装
置。
CCD
发明者
——
维拉
·
博伊尔和
乔治
·
< br>史密斯
发明者
荣誉
2006
年元月
，波义耳和史密斯获颁电机电子
工程师学会（
IEEE
）颁发的
Charl
es
Stark
Draper
奖章，以
表彰他们对
CCD
发展
的贡献。
北京时间
2009
年
10
月
6
日，
2009
年诺贝尔
物理学奖揭晓，瑞
典皇家科学院
诺
贝尔奖
委员会
宣布将该奖项授予一名中国香港
科学家
高锟
(Charles
K.
Kao)
和两名
科学家维拉
·
博伊尔
(Willard
S.
Bo
yle)
和乔治
·
史密斯（
George
E.
Smith
）。科学家
Charles
K.
Kao
因为
< br>“
在
光学通信领域中光的传输的开创
性成就
”
而获奖
，
科学家因
博伊尔和乔治
-E-
史密斯因
“
发明了
成像半导体电路<
/p>
——
电荷藕合器件
图像传感器
CC
D”
获此殊荣。
[
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]
CCD
简介
CCD
，英文全称：
Charge-
coupled
Device
，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<
/p>
小电容能将其所带的电荷转给
它相邻的电容。
CCD
广泛应用在数位摄影
、
天文
学，尤其是光学
遥测技术、光学与频谱
望远镜
< br>，和高速摄
影技术如
Lucky
imagi
ng
。
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
< br>向，
y
方向扫描由扫描仪
的机械
装置来完成。
传真机所用的
线性
CCD
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
CCD<
/p>
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<
/p>
成像质量要优于
CMOS
工艺下的
CCD
。
CCD
广泛
用于工业，民用产
品。
[
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]
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。
因此，
许
多采用光学方法测量外径的仪器
，
把
CCD
器件作为光电接收器。
CCD
工作原理
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。所需相数由
CCD
芯片内
部结构
决定
，
结构相异的
CCD
可满足不同场合的使用要
求。
线阵
< br>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
(
线阵
CCD
见图
1-3
所示
)
。
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。
[
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]
CCD
的应用
四十年来
，
CCD
器件及
其应用技术的研究取得
了惊人的
进展，特别是在图像传
感和
非
接触测
量
领域的发展更为迅速。随着
C
CD
技术和理论
的不断发展，
CCD<
/p>
技术
应用的广度与
深度必将越来越大。<
/p>
CCD
是使用一种
高感光度
的半导体材料集成，它
能够根据照射
在其面上的光线
产生相应的电荷
信号，
在通过模数转换器芯片转换成
“0”
或
“1”
的数字信
号
，
这种数字信号经过压缩和程
序排列
后，
可由闪速存
储器或硬盘卡保
存即收
光信号
转换成计算机能识别的电子图像
信号，可对被侧物体进行
准确
的测量、
分析。
含格状排
列像素的
CCD
应用于
数码相机、光学
扫瞄仪与摄影机
的
感光元件
。其
光效率可达
70%(
能捕捉到
70%
的入射光
)
，优于传<
/p>
统菲林（底片）的
2%
，因此
CC
D
迅
速获得天文学家
的大量采用。
< br>传真机
所
用的线性
CCD
影像经
透镜成像于电容阵列表面后，依
其亮度
的强弱在
每个电容单位
上形成强弱不等的电荷。传真机
或扫瞄仪用的线性
CCD
每次捕捉一细
长条的光影，
而数码相机或摄影机所用的平面式
CCD
则一次捕捉一
整张影像，或从
中
撷取一块方
形的区域。一旦完成曝光的
动作，控制电路会使电容
单
元上的电荷传到
相邻的下一个
单元，
到达边缘最后一个单元时
，电荷讯号传入放大器，转变
成电位。
如此周著复始，直到整
个影像都转成电位，取样并数位化之
后存入内存。储存的影像
可以传送到打
印机
、储存设备或显示器。
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（<
/p>
Bayer
filter
）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
3CC
D
技术。目前，超高
分辨率的
CCD<
/p>
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
摄摄
影者的预算。因此有些高档
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。
经冷冻的
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
< br>亦不断研发高像数
CCD
以拍摄极高解像之天体照片。<
/p>
CCD<
/p>
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<
/p>
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。
一般的
C
CD
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
< br>)
摄影机
/
照相机
等。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
幅射效应。
CCD
对红外线
的敏感度造
成另一种效应
，各种配备
C
CD
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。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
< br>随之提升（信噪比提高）。
温度噪声
、暗电流（
dark
current
）和宇宙辐射
都会影响
CCD
表面的
像素。天文
学家利用快门
的开阖，让
CCD
多
次
曝光，取其平均值以缓解干扰效
应。为去除背景
噪声，要先在
快门关闭时取影像讯号的平均值
，即为
暗框
fram
e)
。然后打
开
快门，取得影
像后减去暗框的值，再滤除系统
噪声
(
暗点和亮点等等
)
，得到更清晰的
细节。
天文摄影
所用的冷却
CCD
照相
机必须以接环固定在成像位置，
防止外来光线或
震动影响；同时亦因为
大多数影像平台生来笨重，要拍摄星
系、星云等暗弱天体的影
像，天文学家
利用
自动导星
技术。大多数的
自
动导星系统使用额外的不同轴
CCD
监测任何影像
的偏移，然而也有一些系统将主
镜接驳在拍摄用之
CCD
相机
上。以光
< br>学装置把主镜
内部份星光加进相机内另一颗
CCD
导星装置，能迅速
侦测追踪天体时
的微小误差
，
并自动调整驱动马达以矫正误差
而不需另外装置导星。
一组用于紫外
线影像处理用的
CCD
[
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]
CCD
为什么能看到红外线
?
其实在
C
CD
中，本来就对红外光有感应
,
能看
到红外线，例如：使用黑白
摄
像机
,<
/p>
在关掉明亮电
灯的情况下
,
开启红
外灯
,
马上可以看到
影像。这是由于黑白摄像机本
来
就没颜
色，但在现实使用
的彩色
CCD
多数看
不
到红外线。
其实
< br>,
彩色
CCD
也能识别
和感应到红外
线
,
但会
干扰到
D.S.P
(
影像处理主芯片
)
的运
算以导致
”
偏色
”,
因此
,
在彩
色
CCD
< br>中为了让其不
“
偏色
”,
在彩色
CCD
上头黏的那片滤光片
，
让它不能接收红外线
。
从
380nm-645nm
穿透率
是约
93%
< br>,
刚好就是可见光的范围
(
紫<
/p>
-
靛
-
蓝
-
绿
-
黄
-
橙
-
红
),
就是彩虹的颜色嘛
!
6
00
多
nm
是红
色光
,
在它往右以
”
外
”,
就叫
”
红外线
”,
是
”
红色以
外的光
”
不是红色
的光
,
因
为眼睛已经看不到了
,
再来
,380nm
左
右我们眼睛看到的是
紫色
,
在
380nm
往左以
”<
/p>
外
”,
就叫
”<
/p>
紫外线
”.
[
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本段
]
CCD
彩色数码相机
一般的彩
色数码相机是将拜尔滤镜（
Bayer
filter
）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。
截至
2005
年，超高分
辨率的
CCD
芯片仍相<
/p>
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摄影
者的预算。因此有些高档相
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
< br>能用于拍摄静态
物品。
CCD
它使用一种高感光
度的半导体材料制成，能把光线
转变成电荷，通过模数
转换器芯片转
换成数字信号，
数字信
号经过压缩以后由相机内部的闪
速存储器或内置
硬盘卡保存<
/p>
，
因而可以轻而易举地
把数据传输给计算
机
，
并借助于计算机的处理手段
，
根据需要和想
像来修改图像。
CCD
由许多感光单位组成，通
常以百万像素为单位。
当
CCD
表面受到光线照射时，每个
感光单位会将电荷反映在组件上
，所有的感光单
位所产生的信<
/p>
号加在一起，就构成了一幅完整
的画面。
CCD
在摄像机里是一个
极其重要的部件，它起到将光线
转换成电信号的作用，
类似于人的眼
睛，因此其性能
的好坏将直接影
响到摄像机的性能。
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Ｃ
ＣＤ尺寸是重要的指标。像
素数是指ＣＣＤ上感光元件的
数
量。摄像机
拍摄的画面可
以理解为由
很多个小的点组成，每个点
就是一个像素。显然，像素数越
多，
画面就会越清晰，如果Ｃ
ＣＤ没有足够的像素的话，拍摄出来的
画面的
清晰度
就
会大受影响，因此，理
论上Ｃ
ＣＤ的像素数量应该越多越好。但ＣＣ
Ｄ像素数的增加<
/p>
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。
单ＣＣＤ
摄像机是指摄像机里只有一片Ｃ
ＣＤ并用其进行亮度信号以及
彩色信
号的光电转换
，
其中
色度信号是用Ｃ
ＣＤ上的一些特定的彩色遮罩装
置并结合后面的
电路完成的。
由于一片ＣＣＤ同时完成亮度信
< br>号和色度信号的转换，因此难
免两全，
使得拍摄出来
的图像在彩色还原上达不到专业
水平的要求。为了解决这个
问题，便出
现了３ＣＣＤ
摄像机。３ＣＣＤ，顾
名思
义，就是一台摄像机使用了３
片ＣＣＤ。我
们知道
，光线如果通过一种特殊的棱
镜后，会被分为红
，绿，蓝三种颜色
，而这三种
颜色就是
我们
电视使用的三基色，通过这
三基色，就可以产生包括亮
度信号在内的所
有电视信号
。如果分别用一
片ＣＣＤ接受
每一种颜色并转换为电信号
，然后经过电路
处理后产生图
像信号，这样，就构成了一个３
ＣＣＤ系统。
< br>和单ＣＣ
Ｄ相比，由于３ＣＣＤ分别用
３个ＣＣＤ转换红
，绿，蓝
信号，拍摄出
来的图像从彩
色
还原上要比单ＣＣＤ来的自然
，亮度以及清晰度也比单Ｃ
ＣＤ好
。但
由于使用了三
片ＣＣＤ，３ＣＣＤ摄像机的价
格要比单ＣＣＤ贵很多。
四色
CCD
是索尼公司在
2003
年推出的一种
C
CD
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
SNOY
DSC
—
F82
8
一款面
阵
CCD
数码相机规格
表中的
CCD
一栏经
常
写着
“1/2.7
英寸
CCD”
等。这里的
“1/2.7
< br>英寸
”
就
是
CCD
的尺寸，实际上就是
CCD
对角线的长度。
现有的数
码相机一般采用
1/2.7
< br>英寸、
1/2.5
英寸和
1/1
.8
英
寸等尺寸的
CCD
。
C
CD
是受光元件
(
像素
)
的集合体，
接收
透过镜头的光并将其转换为电
信号。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。
但是
，<
/p>
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。例如，虽然
< br>1/2.7
英寸比
1/1.8
英
寸尺寸小
，但配备
1/2.7
英寸
CCD
的数码相机并
没有受到画质不好的批
评。
现
在，袖
珍数码相机日趋小巧轻便，出于
设计上的考虑，其中大多
采用
1/2.7
英
寸的小型
CCD
。
顺便说一
句，
1/2.7
英寸的
“
型
”
有时
也写作
“inch”
，不
过，在这里不是普
通的
“1
英
寸＝
25.4mm
”
。由于结
合了
CCD
亮相前摄像
机上使用的摄像管和显示方式，
因此，
习惯上采用比
较特殊的尺寸。
1/2.7<
/p>
英寸为
6.6mm
，
1/1.8
英寸约为
9mm
。
[
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