电子测量CCD显示

1、CCD电荷耦合器件l一、 CCD简述l二、 CCD的基本原理l三、 CCD的优点与不足l四、 CCD的主要应用l五、 CCD的最新发展CCD简述 产品问世已有多年，从当时的2万像素发展到目前的万像素，特别是近几年来，在消费领域中的应用发展速度更快,以数码相机所占比重最高，占44.6，摄录像机占42.5，FA产品、监视摄影机等其他产品占12.9。由于的技术生产工艺复杂，目前业界只有索尼、菲力蒲、柯达、松下、富士和夏普家厂商可以批量生产，索尼以50的市占率，成为市场领导厂商。CCD的基本原理CCD(charge-coupled devices,电荷耦合器件)的体积很小,但却包含了几十万乃至上千万个

2、具有感光特性的二极管-感光二极管,每个感光二极管即为一个像素,当有光线照射时,这些光电二极管就会产生电荷累积.光线越多,电荷积累的就越多,然后这些积累的电荷就会被转换成相应的图像数据.CCD的基本原理CCD摄像器件的单元结构如图，由金属、绝缘层、半导体构成。工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个向势阱转移的效应。当MOS电容栅压增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当电容栅压增加，势阱变深；当电容栅压减小，势阱变浅，电子向势阱深处

3、移动。如图4-2。 CCD的基本原理信号电荷的注入1）注入 势阱内的电荷包是由光敏材料受光照射后激发，产生电子空穴对。空穴被排斥，电子作为反映光强的载体-电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。 CCD的驱动电路三相时钟驱动三相时钟驱动 如图4-3所示，每三个势阱为一组，加入三相时钟 。每个时刻三个栅压只有一个为高电平，两个为低电平，一个势阱深，其余两个为浅势阱。深势阱中有电荷包，浅势阱中没有电荷包。随着时间的推移，深势阱也向前推进，势阱中的电荷包随之转移。每经过一个半时钟周期，电荷包顺序转移三个势阱。CCD的基本结构 C

4、CD通常在一块硅片上同时作出光电二极管阵列和移位寄存器.移位寄存器的作用,是把曝光完成后光电二极管上积累的电荷移走,然后进行放大,接着进行A/D转换,把模拟的电量转换为数字量.电荷的转移是逐行进行的,最靠近移位寄存器的一行 光电二极管上的电荷首先被转移到 寄存器上,而它上面各行光电二极管 的电荷会依次下移填充前一行原先 的位置.当寄存器里的电荷变成串行 信号送出后光电二极管阵列的电荷 依次向下移动一行到寄存器上,通过 这种方式,整个阵列的电荷值就可以 被逐行读出CCD的基本原理传感器可以分成线阵列和面阵列,线阵列的光电二极管阵列中各单元排成一行或数行,当捕捉图像时,线阵列传感器扫描透镜聚焦的图

5、像,一次一行的生成相应的数据,几乎所有的扫描仪都采用了线型传感器,但对于数码相机来说,这种成像方式不适合活动的物体,只有很少的专业相机采用了这种方式.线阵列传感器可以生成分辨率很高的图像.面阵列传感器有感光二极管排成矩阵,成像时一次获取全部图像.目前面阵列传感器常见的是帧转移结构,由负责感光的阵列和暂存阵列组成,暂存阵列和感光阵列一一对应.曝光后,感光阵列里整帧电荷被转移到暂存阵列里,然后再把电荷逐行移位寄存器输出,而感光阵列可以继续进行第二次曝光.CCD的基本原理 图像传感器实际上只能记录光线的灰度,也就是说,它能记录光线的强弱,但却没办法分辨颜色,而我们最需要的就是光线的颜色,怎么办呢?因

6、为不同颜色的冠以看作是几种单色光的合成,以因此我们可以使用不同单色的滤光器,使传感器分别感应不同单色的光线并记录下来,通常的数码相机采用RGB方式,滤光器的颜色是红绿蓝,可以让传感器分别记录红绿蓝的单色光线.光线的过滤是由带有颜色的染料来实现的,这些染料构成了颜色过滤阵列(CFA,coulor fitler array.)通过颜色过滤阵列,各种单色被相邻的光电二极管记录下来,生成的图像颜色是分离的,最后还要把这些数值合成彩色的图像,这个过程称为插值.通常的做法是计算末个像素周围8个像素所记录的颜色值,在结合它自己所记录的颜色值,综合计算出这一像素的混合颜色值. 举个例子,如果一个像素记录的是明

7、亮的红色,而它周围的滤像素荷蓝像素也是明亮的,那么这个像素对应的最终像素就是白色的CCD的应用 CCD图像传感器具有光电信号转换、信息存储、转移、输出、处理以及电子快门等一系列功能，而且尺寸小，工作电压低（DC:7-12V)寿命长，坚固耐冲击等优点，促进了各种视频装置普及和微型化，下面着重介绍一下应用：一、数码相机二、扫描仪三、数字摄像机数码相机一、数码相机简介二、数码相机的基本原理三、数码相机的分辨率四、数码相机的优缺点CCD的应用-数码相机1970年是影像处理行业具有里程碑意义的一年，美国贝尔实验室发明了CCD。二十年后，人们利用这一技术制造了数码相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。数

8、码相机无需胶卷和冲洗、可重复拍摄和即时调整；影像可无限次复制且不会降低质量，方便永久保存，并可用于电子传送和处理。它的诞生给影像处理业带来了一场革命。数码相机基本原理 数码相机主要由光学镜头、感光传感器(CCD或CMOS)、模数转换器(A/D）、图像处理器（DSP）、图像存储器(Memory）、液晶显示器（LCD）、端口、电源和闪光灯组成。数码相机是利用光电传感器（CCD或CMOS）的图像感应功能，将物体反射的光转换为数码信号，经压缩后储存于内建的存储器上。 感光传感器的功能是将光信号转换成电信号，其质量决定着数码相机的成像质量。感光传感器先将光能转变为电子信号，之后再转换为数码信息，光线越亮

9、产生的电子信号越强。在结合了光线强度与颜色之后，再转成像素，数码相机可将每个像素设定为特定色彩。感光传感器是由很多小的光电传感器组合而成阵列，光电传感器阵列上光电传感元件的总数决定了成像总像素的多少，即决定了成像面积的大小。面积相同，像素越多，生成图像的分辨率就越高，清晰度越好。 外部的光线透过镜头，汇聚于镜头后的光电传感器（CCD/CMOS）上；光电传感器将光信号转换为与光强度成正比的模拟电信号，送往模数转换器；模数转换器将模拟电信号转换为二进制数字信号，送往图像处理器；图像处理器将数字图像信号进行处理、压缩后存储在存储器中。上述成像过程是在核心控制芯片的控制下完成的。数码相机的分辨率 分辨

10、率是一个很重要的技术指标，在此，我们分以下几个方面进行阐述： 首先，和大多数的数字图像设备一样,数码相机生成图像的质量在一定程度上取决于所包含的像素数量.图像包含的像素越多,记录的细节就越多,物体边缘也越光华.生成图像包含像素的数量和图像传感器的像素数量相关,这个数量可以有图像的分辨率计算出来.如分辨率为2048 *1536的图像,其包含的像素为2048*1536=3145728.图像传感器所包含的像素也是这样计算的.我们通常所说的多少百万像素级的数码相机,就是指其图像传感器所包含的像素数量(或等效的像素数量). 其次，数码相机的CCD内含的晶体管数量越多，分辨率也越高。CCD的分辨率像素数常

11、被用作划分数码相机档次的主要依据。诚然，CCD的分辨率在一定意义上决定了数码相机成像的质量，但正像颗粒度不能完全概括胶卷的质量一样，分辨率也不是评价CCD质量的唯一标准。其色彩深度，芯片本身的制造水平等，对最终成像质量带来的影响都不容低估。数码相机的分辨率分辨率依然是数码相机最重要的性能指标 数码照片大多数采用面阵CCD。数码相机拍摄图像的像素数取决于相机内CCD芯片上光敏元件的数量，数量越多则可产生的图象分辨率越高，所拍图像的质量也就越高，当然，相机的价格也会大致成正比地增加。数码相机的分辨率还直接反映出能够打印出的照片尺寸的大小。分辨率越高，在同样的输出质量下可打印出的照片尺寸越大。同类数

12、码相机而言，分辨率越高，档次越高，但占用的存储器空间就越多，另外还对加工、处理的计算机的速度、内存和硬盘的容量以及相应软件都有高的要求。 第三，单从CCD芯片制造工艺的角度考察，其芯片面积越小、集成度越高越好， 虽然有人认为，在镜头光学分辨率有限，CCD像素数一定时，芯片面积越大，其感光面积也大,噪音相对较低,成像质量越好。但从目前数码相机的实际拍摄效果来看，一般使用小芯片CCD的数码相机相对图象偏好，也许是因为集成度高的CCD，在原始材料及工艺更优的缘故。数码相机的分辨率 在了解数码相机的分辨率时，一定要区分两个分辨率的概念，一个是CCD的分辨率（或像素值），另外是拍摄图象的分辨率（一般厂家

13、标明的图象的最大分辨率）。这两个分辨率，原则上是CCD的分辨率决定了图象的最大分辨率，但这两个分辨率一般情况下不相等。为此，在选购数码相机时，我们应注意以下两个问题：-CCD的分辨率与拍摄图象的分辨率数码相机的分辨率 一方面，在选择数码相机，一定要注意，CCD的分辨率（像素点）是最为重要的指标，在同样的最大拍摄图象的分辨率下，CCD的分辨率越大越好。例如： 对于同样可以拍摄图象分辨率如（1280*1024）的相机，150万像素的CCD相机的拍摄质量会好于141万像素CCD的数码相机。这是因为，CCD作为感光器件，CCD边缘的像素点在拍摄时，由于边缘光的影响，一般会出现一定的偏色和眩晕，数码相机

14、在CCD像素大于图象拍摄像素时，会自动切除边缘像素，从而去除眩晕和偏色，并且边缘切除越多越好。 这就是厂家用141万像素甚至150万像素的CCD制造最大拍摄1280*1024（131万像素）的图象数码相机的原因。所以追求品质的厂家一般都用CCD的精度都远高于拍摄图象的最大精度。 -选购时注意事项数码相机的分辨率 另外一方面,我们应注意,最终所形成的图像的像素质量又是另一回事,目前还有不少相机，拍摄图象的精度（如1200*1800）远高于CCD的精度（131万像素）。这是通过软件插值处理（任何一个图象软件下都有的功能），使最后生成的图像分辨率增大,但不能增加细节(因为传感器采集的信息就只有这么多

15、了),因而这个图象精度完全是不可取的。软件加大精度只能够让图象细节模糊，如果打印成大幅画面，则清晰度往往难以令人满意，尤其是细节表现非常低劣。因而在购买数码相机时，只能以CCD的精度为衡量相机好坏的标准。否则您可能会将131万像素的数码相机，当200万像素的相机买回家。 照片分辨率厂家都会标明其相机的最大分辨率如12801024。用户也可以调低分辨率从而在相同的存储卡上保存更多数量的照片。不同用途的照片可以选用不同的分辨率以及压缩比。这种选择应当是越多越好。这里要说明一点，同一分辨率下可以有不同的压缩比，分辨率和压缩比同时决定照片的质量，这一点须请各位读者注意。当然，质量和数量在同一存储卡上就

16、是一对矛盾，这就要求用户适当选择。-选购时注意事项数码相机的优点与不足 与传统的相机相比，数码相机有其自身的优势，数码相机的最大优势在于它的信息数字化，由于数字信息可以借助遍及全球的数字通讯网即时传送，所以数码相机首先可以实现图像的实时传递。 数码相机作为一种计算机输入设备，近年取得了长足的发展和进步。首先是由于技术及工艺的进步，现在作为计算机输入设备的数码相机主流机型分辨率一般已在百万像素级。其外观造形与传统相机几无差别。其次由于产量、销量的增加以及技术进步等因素，现在数码相机的价格也正以很快的速度下降。这些都促进了数码相机应用的普及，普及反过来又促使厂商在技术及工艺上作更大的投入。这种良性

17、交互正在使得数码相机成为计算机应用一个不可或缺的设备。 数码相机与传统相机的比较 制作工艺不同：数码相机作为一种摄影工具，它的外形与传统的相机基本相似，只是传统相机使用银盐感光材料即胶卷作为载体，拍摄后的胶卷要经过冲洗才能得到照片，刚拍摄后操作者无法知道照片拍摄效果的好坏并对拍摄得不好的照片进行删除，一般情况下，通过暗房加工出来的照片的效果是不能再改变的。数码相机不使用胶卷，而是使用电荷耦合器CCD元件感光，然后将光信号转变为电信号，再经模/数转换后记录于存储卡上，存储卡可反复使用。由于数码相机拍摄的照片要经过数字化处理再存储，拍摄后的照片可以回放观看效果，对不满意的照片可以立即删除重拍。拍摄

18、后把数码相机与电脑连接，可以方便地将照片传输到电脑中并进行各种处理，再通过打印机打印出来，这是数码相机与传统相机的主要区别。 下面，我们通过制作工艺、拍摄效果、拍摄速度、存储介质的几个方面对数码相机和传统相机作一比较，从而了解数码相机的优点与不足之处： 数码相机与传统相机的比较 拍摄效果不同：传统相机的卤化银胶片可以捕捉连续的色调和色彩，而 数码相机的CCD元件在较暗或较亮的光线下会丢失部分细节，更重要的是，数码相机CCD元件所采集图像的像素远远小于传统相机所拍摄图像的像素 。 一般而言，传统35毫米胶片解析度为每英寸2500线，相当于1800万像素甚至更高，而目前数码相机使用的最好的CCD所

19、能达到的像素还不足1000万。在现阶段，数码相机拍摄的照片，不论在影像的清晰度、质感、层次、色彩的饱和度等方面，都无法与传统相机拍摄的照片相媲美。数码相机与传统相机的比较 拍摄速度不同：在按下快门即数码相机真正记录数据之前，需要等待1.5秒，这是因为数码相机要进行调整光圈、改变快门速度、检查自动聚焦、打开闪光灯等操作。数码相机每拍摄完一张照片，要等待3至7秒才能拍摄下一张照片，这是因为数码相机要对已拍摄的照片进行图像压缩处理并存储起来，由于存储卡的存储速度较慢，故数码相机的拍摄速度，特别是连拍速度还无法达到专业摄影的要求，再由于相机的每个动作都需要耗电，故数码相机的耗电量较大，这些都是数码相机

20、存在的缺点。 存储介质不同：数码相机的图像以数字方式存储在磁介质上，而传统相机的影像是以化学方法记录在卤化银胶片上。CCD的几款机型佳能PowerShot G2佳能POWERSHOT G2采用400万像素CCD，将图像解析度提高到新水平。G2体现了佳能在单反相机与数码相机技术融合方面取得的突破性进展。CCD的几款机型奥林巴斯C-4040Z奥林巴斯CAMEDIA C-4040ZOOM采用1/1.8英寸CCD,总像素数为413万，有效像素数398万。其F1.8和光学3倍变焦镜头可充分发挥CCD的性能。CCD的几款机型富士FinePix 50i富士FinePix 50i采用1/1.7英寸240万像素

21、的超级CCD，可使其产生430万像素的影像。富士独有的超级CCD提供了比传统CCD更好的影像质量。CCD的应用-扫描仪扫描仪的天生职责是把已经拍好的照片、报刊杂志上的图像或影像通过扫描后保存到电脑里.现已成为办公室的必备品.扫描仪的基本原理扫描仪的原理其实很简单，就是跟我们平时照镜子一样。当它扫描图象时（一次只能扫描一行），光线从物体上反射回来，通过透镜射进CCD（电荷耦合器件）。CCD将光线转换成模拟电压信号，并且标出每个象素的灰度级，再由ADC（模数转换器）将模拟电压信号转换为数字信号，每种颜色使用8、10或12位来表示，扫描后，通过Twain（扫描图像专用格式）格式保存在电脑里。扫描仪的

22、分辨率 我们常常可以在扫描仪产品中看到诸如600dpi1200dpi、1200dpi2400dpi这样的参数指标，这就是我们常称的分辨率。分辨率是一项直接关系到扫描仪的基本技术指标，也是扫描仪最重要的性能指标，通常用dpi（dot per inch）作单位，该指标用来检验扫描仪对图像细节的表现能力。以下进行详细阐述： 扫描仪的分辨率可分为三种：光学分辨率、机械分辨率和插值分辨率。其中，光学分辨率才是真正衡量扫描仪扫描精度的关键参数，它直接衡量扫描仪感光元器件的精密程度，代表水平方向每英寸距离内，感光元器件所能获取的最大真实像素数；而机械分辨率则是衡量扫描仪传动机构精密程度的参数，代表扫描头在垂

23、直方向上每移动一英寸，步进电机所走过的最大步数。 例如，“6001200dpi”意味着这台扫描仪的光学分辨率为600dpi，而机械分辨率是1200dpi。而大家在扫描仪上看到最大扫描分辨率，就是插值分辨率，它表示在真实扫描点的基础上，通过软件插入一些点后形成的分辨率，虽然提高了分辨率，增加了图像的细致度，但细节表现与原有图像会存在一定程度的差异，并不能代表扫描的真实精度，因此光学分辨率才是最值得考虑的购买因素。扫描仪的分辨率 扫描仪的精度经常用每英寸扫描图像所含象素点的多少表示，即所谓的DPI，这是生产厂家常用的精度指标。但许多权威测试结果表明，这种指标与扫描仪实际精度并不成正比，并不是DPI

24、值越高扫描仪的精度就越高。 扫描仪的实际精度应是扫描仪对图像细节的实际分能力。 国际上通常用标准测试图测试扫描仪在一英寸长度上所实际能分辨出的线条的个数来表示扫描仪的实际精度。一般记作LPI （Line Per lnch）影响扫描仪精度的因素很多，并不唯一决定于厂家所报的DPI数，有些DPI数高的产品其实际精度比一些DPI数较低的产品还差，分辨率为300DPI一2400DPI的扫描仪的实际精度一般为200LPI一400LPI。扫描仪的分辨率越高，对应的图像数据量越大，以几何级数增长。 选购扫描仪时不应盲目追求高分辨率，而应根据实际工作的需要和输出设备的精度进行选择。比如目前彩色输出设备的精度一

25、般不超过3000DPI若采用这类设备输出，只要扫描图像的放大输出倍数不超过4倍，则选用流行的1200DPI的扫描仪就足够了。 扫描仪的分辨率 在目前的中高档产品中，基本采用CCD作感光元件，值得一提的就是：眼下有些厂商正在通过开发某种更具“智能”特点的技术来实现产品性能大幅提升，例如惠普的“智能化双CCD技术”。 这种双CCD扫描仪采用了交错像素设计来实现2400dpi的高光学分辨率。CCD传感器中，包含两组像素单元：低分辨率部分（5000像素点）的传感器单元具有较大的信号感受面积，可以提供高速、高质的扫描，光学分辨率为600dpi；而高分辨率部分采用了6条感光元件红、红、绿、绿、蓝、蓝，每两

26、条同色感光元件错开半个像素的位置，因此每条传感器都具有10000像素点。每次扫描过程中，根据特殊的算法把6条传感器的数据结合在一起，就可以实现2400dpi的有效光学分辨率，足以适应35毫米幻灯片或负片放大的需求。最后就是光电倍增管了，由于其主要应用在滚筒扫描仪等专业高档产品中，其价格也完全不是我们DIYer所能够接受的，所以我们在此就不加以介绍了。总之一句话，对扫描仪而言，光学器件是获取优质扫描效果的重要保证，它的重要性就如同高质量的镜头对照相机的影响一样，不过假使您拥有世界上最好的CCD感光器件，但只与质量最次的光学器件相配，那么您也还是只能得到劣质的扫描结果。扫描仪的分类及特点台式扫描仪

27、身材比较偏大，又重，所以不太容易携带外出；但是它身价较低，又可扫描高分辨率的彩色图片，所以大家都非常喜欢它。手持式扫描仪轻便体积小，容易携带，价格又便宜，但是它只能扫描低分辨率灰度或黑白图片，所以已经给大家遗忘了。 CCD的应用-数字摄像机 现在想要购买DV（Digital Video）数字摄像机，可并不是每个人都能负担得起的。但是随着数字影像技术的日渐成熟，预计DV摄像机的售价将降低，可能会像某些影音产品(如VCD、DVD机)般以几何级数大跌.另一方面,除了考虑价格因素外，更应该了解摄像机的内在特性。例如，一般人都以为CCD（Charge Coupled Device，即电荷耦合器件，是将光

28、能转换为电能的元件）的像素数目越多越好。但事实上，一个普通的隔行扫描式CCD，其有效像素数目只有50左右（通常生产厂商都故意“忽略”有关数据）。而且拍摄效果优劣与否还要靠镜头和机械部分的配合，并不是单靠CCD。所以，大家不要直觉地认为内置80万像素CCD的便携摄像机一定比内置450万像素CCD的便携摄像机的质量更佳CCD的应用-数字摄像机DV可否取代DC？很多人都认为，便携式DV摄像机无论在功能和解析度方面都能够挑战数码相机（Digital Camera/DC）。的确，很多便携式DV摄像机都具有静止影像拍摄功能和顺序扫描式CCD，使影像的清晰度提高一倍，效果媲美低档数字相机拍摄出来的数字照片。

29、不过大家可要知道，便携DV摄像机的售价往往高达八九千元人民币，这么高的价格又怎能与价值三四千元的低档次数字相机争一日之长短？DV的几款机型三洋IDC-1000Z采用1/2英寸150万像素垂直混合CCD，可同时满足拍照和摄像的需要。垂直混合像素技术可以得到最佳摄像效果，色彩更加鲜艳。三洋IDC-1000ZDV的几款机型Sony专业型Cyber-shot Memory Stick数码照相机DSC-F707，配备524万像素“超级HAD”CCD影像感应器，分辨率高达2,5601,920影像解析度。索尼DSC-F707CCD的新技术 传统CCD排列为矩阵，然而这样的作法却限制了在有效面积中在提升解析度

30、的能力。因此，有些厂商很聪明的想出改变CCD的排列顺序，藉此想在此范围内增强解像力。FUJI Fine Pix 6900就是采用这种作法。FUJIFILM所开发之SUPER CCD是将CCD像素本体以45度角回转，呈蜂巢式状排列，结果是将PHOTO diode间的配线部不要实现其大型化。又像素之形状及垂直方向的差较少，成为近似八角形，使受光部变大。实现相当于ISO 800的高感度。SUPER CCD 的S/N比以往比约2倍，颜色的再现也大幅改善。其结果特别是high light部和Shadow部的阶调再现性大幅提升，使解析度和阶调平衡，可拍出较平滑的画像。CCD的新技术1999年日本富士开发出第一代的 SuperCCD，应用在 FinePix 4700z 上，由于可提高像素和解析度，因此广受欢迎，继之2001年富士修正了第一代 Super CCD 所有的杂讯缺点，并提升有效像素到310万，最大像素 602万的更高解析度。这批 CCD 被装配在 FinePix 6800z / 6900z 上，成为该年度富士最畅销的数码相机。新一代的 SuperCCD III 结合以上的优势，又加入了：下面我们介绍两种CCD最新技术：2002年元月三十日-富士发表第三代 Supe