CCD原理

发布时间：2016-08-04 09:05:27

ccd的工作方式
　　ccd和传统底片相比，ccd 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 ccd经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。ccd 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于适合底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 ccd 的公司分别为：sony、philps、kodak、matsushita、fuji、sanyo和sharp，泰半是日本厂商。
ccd 的三层结构
上：增光镜片　中：色块网格　下：感应线路
　　分解ccd 结构可以发现，为了帮助 ccd 能够组合呈彩色影像，网格被发展成具有规则排列的色彩矩阵，这些网格以红r、绿g和蓝b滤镜片所组成（三原色ccd），亦有补色ccd （为cmyg .. y黄色）。每一个ccd元件由上百万个 mos电容所构成（光点的多寡端看ccd 的画素而定）。当数位相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些马赛克色块会让感光点的二氧化矽材料释放出电子〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压，这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个矽层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接收的光量成正比。在一个影像适合明亮的部位，可能有超过10万个电子被积存起来。
　 　以市面上常见的il 型 ccd 为例，曝光之后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位暂存器中，并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取出来。这些强弱不一的讯号，会被送入一个 dsp 也就是数位影像处理单元。在这个单元之中有一个a/d 类比数位讯号转换器。这个转换器能将信号的连续范围配合色块码赛克的分布，转换成一个2d的平面表示系列，它让每个画素都有一个色调值，应用这个方法，再由点组成网格，每一个点（画素）现在都有用以表示它所接受的光量的二进位数据，可以显示强弱大小，适合终再整合影像输出。

四种类型的ccd
　　因应不同种类的工作需求，业界发展出四种不同类型的 ccd ：linear 线性、interline扫瞄、全景 full-frame和 frame-transfer 全传。线型ccd是以一维感光点构成，透过步进马达扫瞄图像，由于照片是一行行组成，所以速度较使用 2维ccd的数位相机来得慢。这型ccd 大多用于平台式扫描器之上。
　　nterline 扫瞄型 ccd 的曝光步骤（step 1. - 见上图）和前面介绍的相同，所不同处在于读取电荷的方式。interline ccd 透过垂直传送带（step 2.）从暂存矩阵中读出讯号，再向下转移至底部水平转换记录器（step 3.），然后电荷在搬到放大器中（橘色圆圈），之后在到dsp里读出水平光电位置行列，适合后产生电子信号代表一张完整的数位影像。清空暂存器后，再重新设定光电位置以便接收下一张影像。il 型 ccd 的优点在于曝光后即可将电荷储存于暂存器中，元件可以继续拍摄下一张照片，因此速度较快，目前的反应速度以已经可达每秒 15张以上。但 il 的缺点则是暂存区占据了感光点的面积，因此动态范围（dynamic range - 系统适合亮与适合暗之间差距所能表现的程度）较小。不过，由于其速度快、成本较低，因此市面上超过 86％以上的数位相机都以 il 型 ccd 为感光元件。
　　full-frame 全像 ccd 是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 il 的缺点，ff改良可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 ff ccd的数位相机在传送电荷资讯时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，防止干扰。这也意味着 ff 必须使用机械快门（无法使用 il 的电子 clock 快门)，同时也限制了ff ccd的连续拍摄能力。full-frame ccd 大多被用在顶级的数位机背上。
ff ccd 运行方式示意图

　　frame-transfer 全传 ccd 的架构则是介于 il 和 ff 之间的产品，它分成两个部分上半部分是感光区，下半部则是暂时存储区。整体来说 frame-transfer ccd 非常的类似 full-frame ccd，它的特点在于直接规划了一个大型暂存区。一旦ft ccd 运作，它可以迅速将电荷转移到下方的暂存区中，本身则可以继续曝光拍照。这个设计，让ft 同il 一样可以使用电子快门，但同时也可增加感光面积和速度。ft ccd 主要是由 荷兰 philips 公司开发，后来技术移转给 sanyo 公司发展成 vpmix 技术。三洋对 vpmix 的改良相当成功，使它的数位相机能兼具静态和动画的拍摄能力（可达 30 fps 的拍摄速度 - 在动画运用上非常出色）。

此页面产品介绍与文章来源于网络，不代表本网站官方观点，如有版权者需要删除请与本网站联系删除文章！

上一页：MPEG4将让位于H.264与VC-1

下一页：CCD芝麻开门交易的巧妙应用