1、2022-5-91CCD器件及應(yīng)用器件及應(yīng)用理學(xué)院理學(xué)院-20142022-5-92課程簡介：課程簡介：學(xué)時數(shù)：學(xué)時數(shù)：3232學(xué)時。學(xué)時。上課周：上課周：10-1710-17周。周。共共8 8章，作業(yè)共章，作業(yè)共7 7章。章。作業(yè)要求：作業(yè)要求：兩章交一次作業(yè)。兩章交一次作業(yè)。2022-5-93紀(jì)律：紀(jì)律：上課：不定期點名，點名不到者在期末成績上扣上課：不定期點名，點名不到者在期末成績上扣分，分，3次以上（包括次以上（包括3次）點名不到者，期末成績次）點名不到者，期末成績不及格。不及格。作業(yè)：作業(yè)：缺交作業(yè)缺交作業(yè)3次以上（包括次以上（包括3次）者，期末成績不及次）者，期末成績不及格。格。2

2、022-5-942022-5-95第一章 CCD器件概述CCD簡介CCD的發(fā)展史CCD和CMOS2022-5-96 在人的眼睛里，當(dāng)光線穿過角膜和晶狀體在視網(wǎng)膜上形成影像后，影像會被轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號經(jīng)視神經(jīng)傳送到大腦，大腦最終會識別這些信息，這就是視覺成像的過程。 數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)與人眼的結(jié)構(gòu)十分相似，鏡頭鏡頭相當(dāng)于眼球眼球，CCD就像視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜，而LSI(信號信號處理器處理器)起著大腦大腦的作用。這其中，視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜是決定接收到的圖像的質(zhì)量好壞與否的關(guān)鍵部件，相對應(yīng)地，數(shù)碼相機(jī)中的CCD也是數(shù)碼相機(jī)的核心組成部分。2022-5-972022-5-98實物圖像?圖像采集和處理的過程，最基本的

3、是要把實物盡量真實地反映到虛擬的圖像上2022-5-99如何準(zhǔn)確地描述一幅圖像2022-5-910感光芯片的設(shè)計思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應(yīng)的灰度填充。2022-5-911光電成像器件真空成像器件固態(tài)成像器件像管攝像管電荷耦合器件光電二極管陣列圖像傳感器圖像傳感器2022-5-912n固態(tài)：器件為固態(tài)器件,采用半導(dǎo)體工藝制成。（對比：真空成像器件采用真空玻璃殼中的靶進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換）n成像：利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，通過驅(qū)動電信號實現(xiàn)光學(xué)圖像的轉(zhuǎn)換、信息存貯及按順序輸出，形成電子圖像。（對比：真空成像器件采用電子束掃描方式）12圖像傳感器圖像傳感器2022-5-913固態(tài)圖像傳感

4、器的優(yōu)點固態(tài)圖像傳感器的優(yōu)點n體積小，重量輕，功耗低，耐沖擊，可靠，壽命長；n掃描線性，畸變小，重復(fù)性好，適用于尺寸測量、定位和圖像傳感等方面；n光譜響應(yīng)范圍較廣，從近紫外到近紅外；n空間分辨率高，像元間距的幾何位置精確，可以獲得很高的定位與測量精度；n與微機(jī)接口容易實現(xiàn)。2022-5-914固態(tài)圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元光敏單元和和移位寄存器移位寄存器構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。固態(tài)圖像傳感器將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的固態(tài)圖像傳感器將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成

5、比例的大小不等的大小不等的空間分布，然后通過移位寄存器將這些空間分布，然后通過移位寄存器將這些電荷包形成一系列幅值不等的電荷包形成一系列幅值不等的輸出。固態(tài)圖輸出。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成“圖像圖像”電荷信號。電荷信號。2022-5-915固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、像素高、功耗固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、像素高、功耗低和低電壓驅(qū)動等優(yōu)點。目前已廣泛應(yīng)用于圖像處理、低和低電壓驅(qū)動等優(yōu)點。目前已廣泛應(yīng)用于圖像處理、電視、自動控制、測量和機(jī)器人等領(lǐng)域。電視、自動控制、測

6、量和機(jī)器人等領(lǐng)域。固態(tài)圖像傳感器主要有兩大類：固態(tài)圖像傳感器主要有兩大類：電荷耦合器件（電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）2022-5-916CCD英文全稱：Charge-coupled Device。中文全稱：電荷耦合元件，可以稱為CCD圖像傳感器。CCD是于1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith）所發(fā)明的。2022-5-9171970年是影像處理行業(yè)具有里程碑意義的一年，美國

7、貝爾實驗室發(fā)明了年是影像處理行業(yè)具有里程碑意義的一年，美國貝爾實驗室發(fā)明了CCD。1969年，貝爾實驗室George E Smith和Willard S Boyle將可視電話和半導(dǎo)體泡存儲技術(shù)結(jié)合發(fā)明了CCD原型。現(xiàn)代CCD芯片外觀CCD發(fā)明者維拉博伊爾和喬治史密斯榮獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎！2022-5-918“CCD是數(shù)碼相機(jī)的電子眼,它革新了攝影術(shù)?，F(xiàn)在光可以被電子化記錄,取代了膠片。這一數(shù)字形式極大地方便了對圖像的處理和發(fā)送。無論是我們大海中深邃之地,還是宇宙中的遙遠(yuǎn)之處,它都能給我們帶來水晶般清晰的影像”。CCD的發(fā)明者獲得的發(fā)明者獲得2009年諾貝爾獎年諾貝爾獎2022-5-91

8、9 CCD最早是被嘗試拿來當(dāng)內(nèi)存用的，隨后發(fā)現(xiàn)它能利用光電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，開啟了 CCD 在數(shù)字影像方面的應(yīng)用。1969年，當(dāng)時貝爾實驗室正在發(fā)展影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)起來后，博伊爾和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷氣泡元件”(Charge “Bubble” Devices)。這種裝置的特點就是它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，于是他們便嘗試用來做為記憶裝置，當(dāng)時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，組成數(shù)位影像。 到了70年代，貝爾實驗室的研究員已能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續(xù)了這一發(fā)明，著手

9、進(jìn)行進(jìn)一步的研究，包括快捷半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）。其中快捷半導(dǎo)體的產(chǎn)品率先上市，于1974年發(fā)表500單元的線性裝置和100*100像素的平面裝置。 2022-5-9201973年，仙童公司的產(chǎn)品，第一塊商用年，仙童公司的產(chǎn)品，第一塊商用CCD 2022-5-921柯達(dá)的塞尚先生被尊為數(shù)碼相機(jī)之父，而1975年，他的第一臺電子相機(jī)使用的核心成像元件正是一塊5萬像素的仙童產(chǎn)CCD。 數(shù)碼相機(jī)之父親數(shù)碼相機(jī)之父親 2022-5-92270年代末，RCA對天文拍攝用CCD的研究，使其得以因基特

10、峰國家天文臺的1米望遠(yuǎn)鏡安裝了其自產(chǎn)的320*512像元制冷CCD而名聲大造。2022-5-923天文攝影中，使用的大型CCD陣列，由多塊不同尺寸，不同特性的CCD成像元件組成 天文攝影用CCD成像設(shè)備拍攝的遙遠(yuǎn)的深空天體 2022-5-924 20年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)碼相機(jī)，將影年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)碼相機(jī)，將影像處理行業(yè)推進(jìn)到一個全新領(lǐng)域。數(shù)碼相機(jī)無需膠卷和像處理行業(yè)推進(jìn)到一個全新領(lǐng)域。數(shù)碼相機(jī)無需膠卷和沖洗、可重復(fù)拍攝和即時調(diào)整；影像可無限次復(fù)制且不沖洗、可重復(fù)拍攝和即時調(diào)整；影像可無限次復(fù)制且不會降低質(zhì)量，方便永久保存，并可用于電子傳送和處理。會降低質(zhì)量，方便永久保存

11、，并可用于電子傳送和處理。它的誕生給影像處理業(yè)帶來了一場革命。它的誕生給影像處理業(yè)帶來了一場革命。2022-5-9251981，索尼Mavica電子相機(jī)，數(shù)碼單反的先驅(qū)。2022-5-926各國的發(fā)展各國的發(fā)展1.國外的發(fā)展(1) 美國是世界上最早開展CCD研究的國家, 也是目前投入人力、物力、財力最多的國家, 在此應(yīng)用研究領(lǐng)域一直保持領(lǐng)先的地位。貝爾實驗室是CCD研究的發(fā)源地, 并在CCD像感器及電荷域信號處理方面的研究保持優(yōu)勢。麻省理工學(xué)院林肯實驗室, 宇航局噴氣推進(jìn)研究室, 羅姆空間發(fā)展中心以及SRI David Sarnoff 研究中心在CCD及其應(yīng)用等方面的研究保持著雄厚的實力, 并

12、形成了具有較大規(guī)模的實驗研究中心。此外，還有無線電公司、通用電氣公司、仙童公司、福特航空公司及EG&G 公司等。在CCD傳感器和應(yīng)用電視技術(shù)方面, 美國以高清晰度、特大靶面、低照度、超高動態(tài)范圍、紅外波段等的CCD 攝像機(jī)占有絕對優(yōu)勢。2022-5-927(2) 日本是目前世界上CCD的生產(chǎn)大國, 在民用消費型光電產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)上堪稱世界第一位，尤其是CCD攝像機(jī)、攝錄一體化和廣播數(shù)字化電視攝錄設(shè)備基本上包攬了全世界的大部分市場。日本的CCD技術(shù)起步較晚, 但發(fā)展極快, 特別是日本的彩色CCD攝像機(jī)具有極強(qiáng)的競爭力。索尼公司在1979年用三片242(H)242 (V)像元高密度隔列轉(zhuǎn)

13、移CCD像感器首先實現(xiàn)了R、G、B分路彩色攝像機(jī)。1980年，日立公司首先推出單片彩色CCD攝像機(jī)。1998年日本采用拼接技術(shù)開發(fā)成功了1638412288像元即(40963072) 4像元的CCD圖像傳感器。由于日本本國的新產(chǎn)品更新?lián)Q代速度很快, 所以無論產(chǎn)品的產(chǎn)量還是質(zhì)量都占據(jù)世界首位。2022-5-928(3) 法國也是開展CCD技術(shù)研究較早的國家之一，湯姆遜無線電公司(CSF)和EEV英國電子閥門公司(English Electric Valve Company,簡稱EEV)公司是世界上生產(chǎn)和開發(fā)CCD產(chǎn)品的著名廠家。(4) 此外，英國通用電氣公司(GEC)和荷蘭的菲利普公司在CCD技

14、術(shù)的研究開發(fā)上也很著名。2022-5-9292.我國的發(fā)展我國的CCD研制工作起步比較晚，目前落后日歐美等先進(jìn)國家10年以上。我國自行研制的第一代普通線型CCD(光敏元為MOS結(jié)構(gòu)) 和第二代對藍(lán)光響應(yīng)特性好的(光敏元為光電二極管陣列)CCPD已形成系列產(chǎn)品；面陣CCD也基本上形成了系列化產(chǎn)品。2022-5-930除可見光CCD外, 國內(nèi)目前還研制出了硅化鉑肖特基勢壘紅外CCD。目前國內(nèi)正在研制和開發(fā)的CCD有：512512像元X射線CCD、512512像元光纖面板耦合CCD像敏器件、512512像元幀轉(zhuǎn)移可見光CCD、10241024像元紫外CCD、1024像元X射線CCD、微光CCD和多光

15、譜紅外CCD等。但目前國內(nèi)CCD器件的研究進(jìn)展尚不夠迅速, 與國際先進(jìn)水平相比差距很大。2022-5-931CCD 的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域依靠業(yè)已成熟的MOS集成電路工藝, CCD技術(shù)得以迅速發(fā)展。CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其體積小、重量輕、功耗小、性能穩(wěn)定、靈敏度高、動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，使得CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測量等領(lǐng)域。2022-5-9322022-5-9332022-5-934應(yīng)用分類用途現(xiàn)有領(lǐng)域民用攝錄一體機(jī)，視頻攝像機(jī)，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)產(chǎn)業(yè)用C

16、CD監(jiān)視用辦公大樓，停車場，金融機(jī)構(gòu)，商店，工廠，醫(yī)院，交通要道醫(yī)療內(nèi)窺鏡，X射線拍照，顯微鏡生產(chǎn)自動化檢查，定位，分類，機(jī)器人，圖像處理科學(xué)醫(yī)學(xué)，生物學(xué)，天文學(xué)，化學(xué)研究軍事遙感，偵查，制導(dǎo)，預(yù)警，微光夜視新聞廣播節(jié)目制作，電視新聞現(xiàn)場采訪其他車輛后視，TV電話，傳真機(jī)，掃描儀，數(shù)字照相機(jī)新興領(lǐng)域多媒體個人電腦，工作站圖像輸入，數(shù)字化靜止相機(jī)，便攜式終端掃描儀辦公自動化，計算機(jī)輸入設(shè)備即圖文輸入（正片、負(fù)片、投影片、X光片）傳真機(jī)計算機(jī)產(chǎn)生的文件，彩色傳真，高速傳真數(shù)字化攝錄一體機(jī)（記錄動畫）計算機(jī)輸入設(shè)備，多媒體電視制作系統(tǒng)，廣播新聞制作系統(tǒng)，數(shù)字化影片記錄器，家電，旅游2022-5-93

17、5科研領(lǐng)域：10241024像元以上大面陣CCD圖像傳感器大量用于太空探測、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)以及遙感、遙測、低空偵察等。泰克公司和噴氣推進(jìn)實驗室的20482048像元面陣CCD最早用于新一代哈勃太空望遠(yuǎn)鏡攝譜儀和固定天文觀測站。美國Recon偵察光學(xué)公司開發(fā)的50405040像元CCD攝像機(jī)能在一萬米高空進(jìn)行拍攝試驗, 空間分辨率達(dá)1.57英寸。2022-5-936軍事領(lǐng)域：CCD傳感器在軍事領(lǐng)域也發(fā)揮了很大的作用。目前主要用于導(dǎo)航、自動跟蹤、偵察等。例如航空遙感技術(shù)，把高密度線陣CCD掃描系統(tǒng)安裝在飛機(jī)、衛(wèi)星上，由飛機(jī)、衛(wèi)星完成對地面的一維掃描，由CCD在飛行的垂直方向上自掃描，即可實現(xiàn)

18、高分辨率的高空攝影。2022-5-937民用領(lǐng)域：CCD在民用領(lǐng)域的應(yīng)用是十分廣泛的。例如，可視電話，移動電話公司正在研究開發(fā)可帶視頻圖像攝入和顯示的手機(jī)，這個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)S無線通信需求同步擴(kuò)展；電腦攝像機(jī)，在21世紀(jì)初葉，隨著電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，電腦攝像機(jī)作為電腦前端和圖像輸入系統(tǒng)，CCD攝像機(jī)將以不可阻擋的發(fā)展勢頭深入到電腦應(yīng)用的方方面面，也會很快進(jìn)入家庭，借助電腦網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)音、視頻同步遠(yuǎn)程通信；醫(yī)用顯微內(nèi)窺鏡利用超小型的CCD攝像機(jī)或光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，可以實現(xiàn)人體顯微手術(shù)，減小手術(shù)刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦等等。2022-5-9381. 小型化黑白、彩色TV攝

19、像機(jī) 這是面陣CCD應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。 日本松下CDT型超小型CCD彩色攝像機(jī)，直徑17mm，長48 mm，使用超小型鏡頭，重量54g，深受歡迎。典型TV用IS尺寸：79 mm2，480380像元。 2. 傳真通訊系統(tǒng) 用10242048像元的線陣CCD作傳真機(jī)，可在不到一秒鐘內(nèi)完成A4開稿件的掃描。3. 光學(xué)字符識別 IS代替人眼，把字符變成電信號，進(jìn)行數(shù)字化，然后用計算機(jī)識別。 重慶大學(xué)1985年的CD-1型OCR機(jī)，識別率達(dá)99.9。 4. 廣播TV 用SSIS(Solid State Imaging Sensor固態(tài)圖像傳感器)代替光導(dǎo)攝像管。 1986年柯達(dá)公司已推出140萬素的IS

20、，尺寸79 mm2，比電視圖像信號多4倍以上。 2022-5-9395.工業(yè)檢測與自動控制這是IS應(yīng)用量很大的一個領(lǐng)域，統(tǒng)稱機(jī)器視覺應(yīng)用。在鋼鐵、木材、紡織、糧食、醫(yī)藥、機(jī)械等領(lǐng)域作零件尺寸的動態(tài)檢測，產(chǎn)品質(zhì)量、包裝、形狀識別、表面缺陷或粗糙度檢測。在自動控制方面，主要作計算機(jī)獲取被控信息的手段。 還可作機(jī)器人視覺傳感器。6. 可用于各種標(biāo)本分析（如血細(xì)胞分析儀），眼球運(yùn)動檢測，X射線攝像，胃鏡、腸鏡攝像等。7. 天文觀測 天文攝像觀測從衛(wèi)星遙感地面如：美國用5個2048位CCD拼接成10240位長取代125mm寬偵察膠卷，作地球衛(wèi)星傳感器。航空遙感、衛(wèi)星偵察如：1985年歐洲空間局首次在SP

21、OT衛(wèi)星上使用大型線陣CCD掃描，地面分辨率提高到10m。還在軍事上應(yīng)用：微光夜視、導(dǎo)彈制導(dǎo)、目標(biāo)跟蹤、軍用圖像通信等2022-5-940用于測量用于測量計數(shù)器計數(shù)為光敏元大小光敏元數(shù)，細(xì)絲直徑NmNNND13)(1300CCD圖像傳感器的應(yīng)用圖像傳感器的應(yīng)用2022-5-941線陣線陣CCDCCD在掃描儀中在掃描儀中的應(yīng)用的應(yīng)用 CCD圖像傳感器的應(yīng)用圖像傳感器的應(yīng)用2022-5-942線陣線陣CCD攝像機(jī)可用攝像機(jī)可用于彩色印刷中的套色于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控工藝監(jiān)控 風(fēng)云一號衛(wèi)星可以風(fēng)云一號衛(wèi)星可以對地球上空的云層對地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描分布進(jìn)行逐行掃描CCD圖像傳感器的應(yīng)用圖

22、像傳感器的應(yīng)用2022-5-943線陣線陣CCD用于字符識別用于字符識別CCD圖像傳感器的應(yīng)用圖像傳感器的應(yīng)用2022-5-944CCD圖像傳感器的應(yīng)用圖像傳感器的應(yīng)用2022-5-945CCD圖像傳感器的應(yīng)用圖像傳感器的應(yīng)用CCD數(shù)碼顯微鏡數(shù)碼顯微鏡拍攝的金屬表面顯微照片拍攝的金屬表面顯微照片2022-5-946 CCD圖像傳感器的應(yīng)用圖像傳感器的應(yīng)用CCD數(shù)碼攝像機(jī)數(shù)碼攝像機(jī)2022-5-947 CCD是一種半導(dǎo)體集成器件，在N型或P 型硅襯底上生長一層很薄的SiO2，再在SiO2薄層上依次沉積金屬電極，這種規(guī)則排列的MOS電容陣列再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。CCD由M

23、OS光敏元、移位寄存器、電荷轉(zhuǎn)移柵等部分組成。相鄰兩光敏元的中心距在13-16um范圍內(nèi)。CCD可以把光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，每一個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置。2022-5-948CCD光敏元移位寄存器2022-5-949 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和掃描儀中應(yīng)用廣泛，只不過攝像機(jī)中使用的是面陣CCD，即包括x、y兩個方向以用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用

24、的是線陣CCD，它只有x一個方向，y方向掃描由掃描儀的機(jī)械裝置來完成。2022-5-950是是CCDCCD的主要性能指標(biāo)，它決定了顯示圖像的清晰程度，的主要性能指標(biāo)，它決定了顯示圖像的清晰程度，分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)越好。分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)越好。 像素像素 - CCD- CCD每一個元素，像素越多，圖像越清晰每一個元素，像素越多，圖像越清晰 4444萬（萬（768768* *576576）、）、100100萬（萬（10241024* *10241024） 200200萬（萬（16001600* *12001200）、）、600600萬（萬（28322832* *21282128）電

25、視線電視線 - - 簡稱線簡稱線(TV LINES)(TV LINES)，彩色攝像頭一般，彩色攝像頭一般330330500500線，線， 黑白可以達(dá)到黑白可以達(dá)到600600線。電視線與線。電視線與CCDCCD和鏡頭有關(guān)，和鏡頭有關(guān)， 還與攝像頭電路通道的頻帶寬度直接相關(guān)，通還與攝像頭電路通道的頻帶寬度直接相關(guān)，通 常規(guī)律是常規(guī)律是1MHz1MHz的頻帶寬度相當(dāng)于清晰度為的頻帶寬度相當(dāng)于清晰度為8080線。線。 頻帶越寬，圖像越清晰，線數(shù)值相對越大。頻帶越寬，圖像越清晰，線數(shù)值相對越大。 灰度級灰度級 - - 灰度分辨率、色彩分辨率，灰度分辨率、色彩分辨率， 1/21/2n 位數(shù)：位數(shù)：8 8

26、位（位（bitbit）、）、1010位、位、1111位、位、1212位、位、 位數(shù)越多，圖像越清晰。位數(shù)越多，圖像越清晰。 CCD分辨率分辨率2022-5-951n數(shù)碼鏡頭分辨率概念：數(shù)碼鏡頭分辨率概念： 數(shù)碼鏡頭的分辨率定義為在像面處鏡頭在單位毫米上可鑒別的黑白線對數(shù)。00d2d毫米）分辨率（線對/12dCCD分辨率分辨率2022-5-952nCCD的分辨率： CCD的分辨率是用像素總數(shù)表示的。 設(shè)在水平方向上CCD感光有效長度是M毫米，在垂直方向上CCD 感光有效長度是N毫米。 如果像素（最小感光單元稱之為像素）的尺寸是m2 * n2，那么在水平方向上的像素總數(shù)=M/m2，在垂直方向上的像

27、素總數(shù)=N/n222MnNmCCD像素總數(shù) CCD 的整個感光面上的像素總數(shù)：CCD分辨率分辨率2022-5-953n數(shù)碼鏡頭的分辨率與CCD的分辨率的匹配： 在水平方向上數(shù)碼鏡頭對線狀分辨率圖案的成像，其每個線寬恰好占用一個像素，我們就稱在水平方向上選用的CCD與數(shù)碼鏡頭在分辨率上是相配的; 在垂直方向上也可同樣理解。這樣定義保證了CCD 在最少像素總數(shù)下，恰好能分辨清像的細(xì)節(jié)。CCD分辨率分辨率2022-5-954CCD 像素總數(shù)=4.8/(0.003333)*3.6/(0.003333)= 1920000 像素。u設(shè)CCD 的 M=1mm， N=1mm。鏡頭像方分辨力=15 線對/毫米，

28、現(xiàn)計算其像素總數(shù)如下：)/(03333. 0301/21線對毫米毫米）分辨率（線對d與該鏡頭相配的CCD 最小感光單元像素尺寸 m2*n2=0.03333*0.03333 uCCD 像素總數(shù)=1/(0.03333)*1/(0.03333)=900 像素u如果鏡頭鑒別率是150 線對/毫米，CCD 感光面M=4.8mm，N=3.6mm。 d=1/(2*鏡頭像方分辨力)=1/300=0.003333(毫米/線對)CCD分辨率分辨率2022-5-955CCD的結(jié)構(gòu)為三層，第一層是“微型鏡頭”，第二層是“分色濾色片”以及第三層“感光層”。 第一層：“微型鏡頭” 。我們知道，數(shù)碼相機(jī)成像的關(guān)鍵是在于其感

29、光層，為了擴(kuò)展CCD的采光率，必須擴(kuò)展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫質(zhì)下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再由傳感器的開口面積決定，而由微型鏡片的表面積來決定。 2022-5-956第二層：“分色濾色片” 。目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個則是CMYK補(bǔ)色分色法。這兩種方法各有優(yōu)缺點。RGB分色法是通過Red, Green和Blue這三個通道的顏色調(diào)節(jié)而成。CMYK是由四個通道的顏色配合而成，青(C)、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業(yè)中，CMYK更為適用，但其調(diào)節(jié)出來的顏色不及RGB的多。 原色CCD的優(yōu)勢在于畫質(zhì)銳

30、利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。因此，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機(jī)，在ISO感光度上多半不會超過400。相對的，補(bǔ)色CCD多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感光度(類似于膠卷軟片對光的敏感度 ) ，一般都可設(shè)定在800以上。2022-5-957第三層：“感光層 ” 。這層主要是負(fù)責(zé)將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。 2022-5-958CCD的工作性能與其單位面積上的感光像素始終存在著一種固有的矛盾：一方面，要確保CCD的工作性能，單位面積上CCD像素數(shù)就不能無限增加。因為

31、單位面積像素數(shù)越多，意味著像素尺寸越小，導(dǎo)致感光度降低、信噪比下降、動態(tài)范圍減小，影響其性能。另一方面，為了提高CCD的工作性能，如提高CCD的分辨率、動態(tài)范圍等，又需要增加CCD的像素數(shù)，因此只能通過增大CCD的面積來提高CCD的性能。但是增大CCD的面積雖然可以增加像素數(shù)，卻會導(dǎo)致CCD的制造成本劇增，顯然也不是一個有效的解決辦法。因此只有突出傳統(tǒng)CCD的思路，改變CCD的設(shè)計結(jié)構(gòu)，才能從根本上提高CCD的工作性能，滿足現(xiàn)代攝影攝像對CCD更高的要求。2022-5-959普通CCD中采用的是矩形光電元件，以八角形光電元件來代替，可以改變普通CCD的性能。（超級超級CCD）超級CCD的像素排

32、列結(jié)構(gòu)：像素之間采用蜂窩狀的排列方式（如圖1所示）。 八角形的光電元件和蜂窩狀的像素排列大大改善了每個像素單元中的光電元件的空間有效性，相對于有同樣數(shù)量像素的傳統(tǒng)CCD而言，它有更高的靈敏度、更高的信噪比和更廣泛的動態(tài)范圍。 2022-5-9601.像素的幾何形狀普通CCD像素由光電元件、控制信號通道、電荷傳輸通道組成，要提高圖像質(zhì)量就需增加像素數(shù)，但光電元件矩形外形限制了像素數(shù)的增加。盡管減小像素尺寸能增加像素數(shù)，但像素尺寸和光電元件面積的縮小必然降低光吸收效率，不利于提高感光度、信噪比、動態(tài)范圍。而且，矩形光電元件采用圓形微透鏡，這種不同形狀的組合也會降低光吸收效率。超級CCD取消了控制信

33、號通路，并利用多余空間增加光電元件感光面積，擴(kuò)充的面積相當(dāng)于傳統(tǒng)CCD感光元件的2倍。同時，用新型大八角形光電元件取代傳統(tǒng)CCD矩形元件，使像素空間效率顯著提高，密度達(dá)到最大，極大增加了感光度。超級CCD八角形光電元件非常接近微透鏡的圓形，有效面積的增加大大提高了光吸收效率。經(jīng)過上述處理，超級CCD會把無助于圖像記錄的空間減少到最低限度，并顯著提高光吸收效率，使感光度、信噪比、色彩再現(xiàn)性都得到改善、動態(tài)范圍亦會擴(kuò)大，圖像質(zhì)量大為提高。2022-5-9612.像素的排列結(jié)構(gòu)在像素的排列結(jié)構(gòu)上，普通CCD像素排列呈矩形，像素間水平、垂直距離比像素本身對角線長，這種結(jié)構(gòu)使CCD像素在對角線方向獲得好

34、的圖像質(zhì)量。但是根據(jù)人眼的工作機(jī)理，水平軸、垂直軸方向的分辨率才是影響CCD分辨率的關(guān)鍵，對角線高頻特性損失對圖像質(zhì)量影響極小。顯然，普通CCD矩陣排列限制了有效面積中提升分辨率的能力。人眼視網(wǎng)膜由一億二千六百萬個左右的視覺細(xì)胞組成，其中一億二千萬個左右視桿細(xì)胞在黑暗時工作，而其它六百萬個視錐細(xì)胞在明亮?xí)r工作，并能對顏色做出反應(yīng)。盡管這些細(xì)胞以鑲嵌的方式均勻分布在視網(wǎng)膜表面，但是在水平軸和垂直軸上的高頻信息感光度要比在450對角線上高得多，通過對數(shù)百個自然景色的平均空間頻率特性進(jìn)行分析后可知。這是因為地心引力把空間頻率的功率都集中在水平和垂直的方向，而450對角線上功率最低的緣故。因此，為了更

35、有效地捕獲視覺信息，我們的眼睛在水平和垂直方向上就較為靈敏。 2022-5-962超級CCD不僅改變了CCD像素的形狀，而且改變了CCD像素的排列結(jié)構(gòu)。如圖2所示，超級CCD將CCD像素（八角形光電元件）按45排列為蜂窩狀，使像素間水平、垂直距離比像素本身對角線距離短。這種更符合人類視覺特點的結(jié)構(gòu)，不但有效提高封裝密度，同時，由于垂直軸上間隙較大，其垂直、水平方向分辨率也會高于對角線分辨率。超級CCD這種排列結(jié)構(gòu)，感光時可達(dá)到傳統(tǒng)CCD兩倍分辨率，而相同數(shù)量感光單元，則產(chǎn)生相當(dāng)于傳統(tǒng)CCD 1.6倍的影像。這樣，190萬像素超級CCD圖像質(zhì)量與300萬像素普通CCD相當(dāng)。體現(xiàn)在圖像質(zhì)量上就是超

36、級CCD這種結(jié)構(gòu)既顯著提高靈敏度、信噪比，又具有更大動態(tài)范圍，產(chǎn)生的圖像具有更豐富、更逼真的色彩和清晰度。2022-5-9633.視頻輸出讀取方式在視頻輸出和使用液晶監(jiān)視器顯示時，普通CCD只能使用固定速率跳躍讀出垂直軸，因為讀出所有垂直行要花太長的時間并減慢視頻率，但這造成了影像質(zhì)量的不可避免的降低。同時，因為所有的像素都必須水平讀出，其視頻率就會很慢。還有一個問題，即每一水平行只有G、B像素或R、G像素，為了產(chǎn)生每個像素必需的RGB彩色信號，必須讀出相鄰兩行，這也會造成視頻輸出的延時。超級CCD進(jìn)行視頻輸出時，其跳躍讀出不再局限于垂直軸，在兩個方向上都可以，這是獲得高質(zhì)量視頻輸出的關(guān)鍵。另

37、外，超級CCD在每一水平行上都有RGB信號，從而解決了普通CCD所無法解決的難題。超級CCD的垂直跳躍讀出可以按1/2、1/3或者任何其它比率進(jìn)行，也可以進(jìn)行水平1/3跳躍讀出，使獲得高質(zhì)量的、每秒30幀的全動視圖像成為可能。 2022-5-9644.單一電子快門普通CCD單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位面積上的光電元件數(shù)量相對較少，集光效率不高。為避免一個光電元件的電荷與下一個光電元件的電荷相混，普通CCD在一步里需要三個信息包來傳輸電荷，這就意味著需要制造三個聚合物層做為信息包。但是這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)難度很大，普通CCD一般通過增加一個機(jī)械遮光器，分兩步來讀出像素。超級CCD各像素的光電元件有四個包，構(gòu)造相對

38、簡單且電荷傳輸通道足夠?qū)?，每個像素都可以一步讀出，能實現(xiàn)電荷的高速傳輸。這種結(jié)構(gòu)使所有像素的數(shù)據(jù)能一次讀出，因此，只需一個電子快門。這樣，不但有效提高像素數(shù)據(jù)傳輸速度和精度，而且具有快速準(zhǔn)確連續(xù)拍攝功能的潛在能力。2022-5-9655.其它關(guān)鍵技術(shù)普通CCD提高感光度的同時，噪聲隨之增加，影響器件性能指標(biāo)。超級CCD用硬件控制取代普通CCD的軟件控制方式以提高感光度，能有效降低感光噪聲，信噪比得到顯著提高，圖像質(zhì)量也得到明顯改善。超級CCD還通過像素加算信號處理技術(shù)（CCD處理信號得到像素數(shù)的基礎(chǔ)上加算4像素），提高感光度，降低顏色和光亮度的干擾，使圖像更清晰。同時，在采用超級CCD芯片的產(chǎn)

39、品中運(yùn)用自動曝光技術(shù)和自動白平衡技術(shù)，對色彩再現(xiàn)和明亮度進(jìn)行最佳控制，對目標(biāo)進(jìn)行平衡再現(xiàn)，使圖像質(zhì)量大幅度提高。2022-5-966上述技術(shù)的運(yùn)用，使超級CCD性能指標(biāo)有質(zhì)的飛躍。主要表現(xiàn)為： （1）分辨率顯著提高。獨特的像素45蜂窩狀排列，配合大規(guī)模集成電路LSI作為信號處理器，使超級CCD分辨率比傳統(tǒng)CCD高60； （2）感光度、信噪比、動態(tài)范圍明顯改善。二極管光吸收效率的提高使這些指標(biāo)明顯改善。在300萬像素時，這些指標(biāo)會提升130，且高光部分層次更豐富； （3）彩色還原能力提高。由于信噪比提高，采用專門LSI信號處理器，彩色還原能力提高50。2022-5-967按成像器件分類：線陣按成

40、像器件分類：線陣CCD、面陣、面陣CCD按顏色分類：黑白、彩色按顏色分類：黑白、彩色按輸出信號分類：模擬式、數(shù)字式按輸出信號分類：模擬式、數(shù)字式 黑白：信息量小，時間、空間少黑白：信息量小，時間、空間少彩色：信息量大，時間、空間彩色：信息量大，時間、空間多多線陣線陣CCD：一行，掃描；：一行，掃描；體積小，價格低；體積小，價格低；面面陣陣CCD: 整幅圖像；直觀；價格高，體積大；整幅圖像；直觀；價格高，體積大；按掃描方式分類：逐行掃描、隔行掃描按掃描方式分類：逐行掃描、隔行掃描 逐行掃描：高速運(yùn)動，避免邊緣模糊逐行掃描：高速運(yùn)動，避免邊緣模糊 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)數(shù)字?jǐn)z像機(jī) - 電子快門電子快門 曝光時

41、間曝光時間: 1/50s1/50s、1/125s1/125s、1/250s1/250s、1/500s1/500s、1/1000s1/1000s、1/2000s1/2000s、1/4000s1/4000s、1/8000s1/8000s、1/16000s1/16000s、1/32000s 1/32000s 按形狀分類：長形、短形、方塊形、半球形、單板形按形狀分類：長形、短形、方塊形、半球形、單板形 CCD種類種類2022-5-968 后來有人發(fā)現(xiàn)，將計算機(jī)系統(tǒng)里的一種芯片進(jìn)行加后來有人發(fā)現(xiàn)，將計算機(jī)系統(tǒng)里的一種芯片進(jìn)行加工也可以作為數(shù)字相機(jī)中的感光傳感器，即工也可以作為數(shù)字相機(jī)中的感光傳感器，即C

42、MOS，其，其便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。業(yè)內(nèi)人士分析，它在不久的將來可能取代業(yè)內(nèi)人士分析，它在不久的將來可能取代CCD，如今兩，如今兩者依然共存。者依然共存。CMOS2022-5-969Complementary Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS，簡稱互補(bǔ)式金氧半互補(bǔ)式金氧半)指互補(bǔ)金屬氧化物指互補(bǔ)金屬氧化物(PMOS管和管和NMOS管管)共同構(gòu)成的共同構(gòu)成的互補(bǔ)型互補(bǔ)型MOS集成電路制造工藝，它的特點是集成電路制造工藝，它的特點是低功耗低功耗。由于由于CMOS中一對中一對MOS組成的門電路在

43、瞬間看，要組成的門電路在瞬間看，要么么PMOS導(dǎo)通，要么導(dǎo)通，要么NMOS導(dǎo)通，因此功耗很低。導(dǎo)通，因此功耗很低。 2022-5-970在計算機(jī)領(lǐng)域，CMOS常指保存計算機(jī)基本啟動信息(如日期、時間、啟動設(shè)置等)的芯片。有時人們會把CMOS和BIOS混稱，其實CMOS是主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，是用來保存BIOS的硬件配置和用戶對某些參數(shù)的設(shè)定。CMOS RAM本身只是一塊存儲器，只有數(shù)據(jù)保存功能。而對BIOS中各項參數(shù)的設(shè)定要通過專門的程序。BIOS設(shè)置程序一般都被廠商整合在芯片中，在開機(jī)時通過特定的按鍵就可進(jìn)入BIOS設(shè)置程序，方便地對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。因此BIOS設(shè)置有時也被叫做CMO

44、S設(shè)置。 2022-5-971現(xiàn)在，現(xiàn)在，CMOS制造工藝也被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材制造工藝也被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件。雖然在用途上與過去的感光元件。雖然在用途上與過去CMOS電路主要作電路主要作為計算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取為計算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工藝，只是的工藝，只是將純粹邏輯運(yùn)算的功能將純粹邏輯運(yùn)算的功能轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成接接收外界光線后電能的轉(zhuǎn)化收外界光線后電能的轉(zhuǎn)化，再透過芯片上的，再透過芯片上的模模-數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換器（器（ADC）將獲得的影像信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)碼信號輸出。將獲得的影像信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)碼信號輸出。 2022-5-972CMOS相

45、對于相對于CCD的最主要優(yōu)勢在于它的最主要優(yōu)勢在于它非常省電非常省電。它。它幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時才耗電。幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時才耗電。CMOS的耗電量只有普通的耗電量只有普通CCD的的1/3左右。左右。CMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，成品率高，制造成本低，簡單，成品率高，制造成本低，CMOS價格比價格比CCD更更具有優(yōu)勢。具有優(yōu)勢。與與CCD技術(shù)相比，技術(shù)相比，CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝，可利用現(xiàn)有的是標(biāo)準(zhǔn)工藝，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)，不需要額外的投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)，不需要額外的投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步。著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步。2022

46、-5-973CCD sensor放大A/D光子電子電壓數(shù)字信號CMOS 芯片可以在像素上同時完成這兩個步驟CCD與CMOS的光電轉(zhuǎn)換示意圖：由上面兩圖可看出由上面兩圖可看出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是 CMOS的 電荷到電壓轉(zhuǎn)換過程是在每個像素上完成的2022-5-974CMOS傳感器的最大優(yōu)勢，具有高度系統(tǒng)整合能力。它傳感器的最大優(yōu)勢，具有高度系統(tǒng)整合能力。它擁有所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平擁有所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移寄存器、時序控制、存貯器、位移寄存器、時序控制、存貯器、ADC等都可集成在一等都可集成在一片芯片上，使片芯片上，使CMOS傳感器成為移

47、動、多功能數(shù)字產(chǎn)品傳感器成為移動、多功能數(shù)字產(chǎn)品的理想選擇。的理想選擇。但但CMOS技術(shù)也存在弱點，如對光線的靈敏度稍低，信技術(shù)也存在弱點，如對光線的靈敏度稍低，信噪比也很低，這導(dǎo)致了其在成像質(zhì)量上難以與噪比也很低，這導(dǎo)致了其在成像質(zhì)量上難以與CCD抗衡?？购狻?022-5-975CCD 和和 CMOS 的比較的比較 因為CMOS傳感器在10Lux以下基本沒用，因此大量工業(yè)及廣播級攝像機(jī)都使用CCD傳感器，CMOS傳感器一般用于低端產(chǎn)品。在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。而CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也不太好。 由于自

48、身物理特性的原因，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像質(zhì)量和的成像質(zhì)量和CCD還是有還是有一定距離的。一定距離的。 CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢。而常見的高速攝像在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢。而常見的高速攝像頭則會采用頭則會采用CMOS芯片。芯片。2022-5-976CCD和和CMOS的不同之處的不同之處 CCD與CMOS傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管 (photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。 CCD傳感器中每一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。 2022-5-977CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時不會失真，因此各個像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個像素的數(shù)據(jù)。 由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異，這些差異包括： 1. 靈敏度差異：由于靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個像素由四個晶體管與一個感光二極管構(gòu)傳感器的每個像素由四個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成成(含放大器與含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電