CCD的类型指标和在图像运作的原理

2009-09-20 21:44

CCD的类型指标和在图像运作的原理

CCD 是60年代末期由贝尔试验室发明。开始作为一种新型的PC存储电路，很快 CCD具有许多其他潜在的应用，包括信号和图像（硅的光敏性）处理。

CCD 是在薄的硅晶片上处理一系列不同的功能，在每一个硅晶片上分布几个相同的IC等可产生功能的元件，被选择的IC从硅晶片上切下包装在载体里用在系统上。总结下来，CCD 主要有以下几种类型：

一、面阵CCD：

允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。

二、线阵CCD：

用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。

三、三线传感器CCD：

在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖 RGB滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。 字串7

四、交织传输CCD：

这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。

五、全幅面CCD：

此 种CCD 具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD 允许即时拍摄全彩图片。全幅面 CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD 曝 光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定 量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。

数码相机曝光的整个流程：

1． 机械快门打开，CCD曝光

2． 在CCD内部光信号转为电信号

3． 快门关闭，阻塞光线。

4． 电量传送到CCD输出口转化为信号。

5． 信号被数字化，数字资料输入内存。

6． 图像资料被进行处理，显示在LCD或电脑上。

面阵数码相机如何解决彩色图像的曝光？

1．三块CCD同时曝光的方法

第 一种方法是采取了三块CCD 芯片同时曝光的方法，它可以在一次曝光拍摄的同时，捕捉到所有的彩色信息。当光线通过镜头射向CCD 表面的时候，由一个特制的棱镜式分光镜，将影像的成像光速成分射到三个不同的CCD平面。每一个CCD只记录红绿蓝色光中一种色光的彩色信息，并且只再现 一种色彩，然后通过软件的对准处理，合成为一幅完整的全彩色画面。

由 于人类的眼睛对于光谱绿色波段的光色最为敏感，有些数码相机在安排 滤色片的时候使用两排绿滤色片来记录绿光信息，而使用第三排红色和蓝色的马赛克滤色片来分别记录红光和蓝光的信息。由于红色和蓝色信息存在间隙，这里需要 由计算机采取的插值计算方法来增加附加它的彩色信息。

2、单一芯片三次曝光的拍摄方式

面阵排列数码相机捕捉彩色 信息的第二种方法是“单一芯片三次曝光的拍摄方式”。采取这样的方法时，数码相机镜头的前方需要安装一个滤色片转轮，拍照时必须通过转轮中的红绿蓝三块滤 色片，分别做三次单独的曝光，分别记录下红绿蓝光的彩色信息。最后照相机的软件将三次曝光的影像信息结合在一起，构成为全彩色的影像。

使 用这样的方法时，由于是用三次曝光来记录彩色信息，显然，摄影者使用这样一台面阵的数码相机，就只能局限于拍摄静态物体。此外，由于三次拍摄条件可能出现 的差异，很可能产生数码相机的软件不能适当重新组合影像的问题。特别是曝光过程中，光源发生的波动也都会改变影像的彩色平衡。三次曝光的数码相机可以用来 拍摄动态的单色影像（包括黑白照片），这是因为在滤色片转轮上，除了三块红绿蓝滤色之外，还有一块透明的滤色片，它是用来黑白影像做单次曝光拍摄时使用 的。由于只需要一次曝光，因而它可以拍摄动态物体。

3、单芯片一次曝光的拍摄方式

第三种方式是“单芯片一次曝光的拍摄方式”。 在这一方式中，每一单个的像素都以两种方式覆盖着不同的红，绿，蓝色滤色片，一种是条纹覆盖法，另一种是马赛马克图案交错覆盖法。有些芯片上的绿滤色片多 于红色和蓝色滤色片，这是因为需要去适应人眼视觉在可见 光谱中对绿色更为敏感的特点。这样，较多地使用绿色滤色片可以改善影像的分辨率。

每一个感光的像素只能捕获一种彩色，它需要从相邻的像素那里获得更多的彩色信息，这是采取插值的计算方法实现的。如果不正确的彩色信息被赋值于像素之中，那么插值的效果也会出现问题，这通常在高反差影像的边缘部分表现得最为明显，比如黑色的文字，常常会出现彩色的镶边。

CCD在图像运作的三大角色：

1． 曝光，通过离散的像素将光信号变为电信号。

当入射光以光子的形式落在像素阵列上时，就获得一个图像。每一个光子相对应的能量被硅吸收就发生反应产生一个（电子--孔）电量组，每一个像素所能收集到的电子数，线性地取决于光亮的程度和曝光的时间，非线性的取决于波长。

2． 电量转移，在CCD内部进行电量转移。

一旦电量被集中并保持在像素的结构中，就一定会使在物理上与像素分离的侦测放大器得到电量，当一个像素的电量移动时，同时相对应的像素的电量都会移动。电量对电压的转换并输出放大。

CCD彩色摄像机的主要技术指标

（1）CCD尺寸，亦即摄像机靶面。原多为1/2英寸，现在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。

（2）CCD像素，是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。CCD是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。现在市场上大多以25万和38万像素为划界，38万像素以上者为高清晰度摄像机。

（3） 水平分辨率。彩色摄像机的典型分辨率是在320到500电视线之间，主要有330线、380线、420线、460线、500线等不同档次。分辨率是用电视线（简称线TV LINES）来表示的，彩色摄像头的分辨率在330~500线之间。分辨率与CCD和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是 1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。 频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。

（4）最小照度，也称为灵敏度。是CCD 对环境光线的敏感程度，或者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯（LUX），数值越小，表示需要的光线越少，摄像头也越灵敏。月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件，2~3lux属一般照度，现在也有低于1lux的普通摄像机问世。

（5）扫描制式。有PAL制和NTSC制之分。

（6）摄像机电源。交流有220V、110V、24V，直流为12V 或9V。

（7）信噪比。典型值为46db，若为50db，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60db，则图像质量优良，不出现噪声。

（8）视频输出。多为1Vp-p、75Ω，均采用BNC接头。

（9）镜头安装方式。有C和CS方式，二者间不同之处在于感光距离不同