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阅读 7053 次 历史版本 1个 创建者:Hyakutake (2011/2/17 11:50:29)  最新编辑:Hyakutake (2011/2/17 14:54:20)
电荷耦合元件
拼音:dian he ou he yuan jian
英文:Charge-coupled Device
同义词条:CCD

  电荷耦合元件(Charge-coupled Device)简称CCD,作为一种集成电路,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广泛应用在数码摄影天文学,尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜,和高速摄影技术。

CCD的发展


贝尔实验室
            贝尔实验室
  CCD是于1969年由美国贝尔实验室(Bell Labs)的维拉·博伊尔Willard S. Boyle)和乔治·史密斯George E. Smith)所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后,得出一种装置,他们命名为“电荷‘气泡’元件”(Charge "Bubble" Devices)。这种装置的特性就是它能沿着一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引能用简单的线性装置捕捉影像,CCD就此诞生。有几家公司接续这项发明,着手进行进一步的研究,包括快捷半导体(Fairchild Semiconductor)、美国无线电公司(RCA)和德州仪器(Texas Instruments)。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。

  2006年元月,维拉·博伊尔Willard S. Boyle)和乔治·史密斯George E. Smith)获得电气电子工程师学会(IEEE)颁发的Charles 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. Boyle)和乔治·史密斯George E. Smith)。科学家高锟(Charles K. Kao)因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就” 而获奖,科学家维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯(George E. Smith)因“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器CCD”获此殊荣。

CCD的结构

微型镜头

CCD结构示意图
          CCD结构示意图

  CCD成像的关键是在于其感光层,为了扩展CCD的采光率,必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定,而改由微型镜片的表面积来决定。

分色滤色片


  CCD的第二层是“分色滤色片”,目前有两种分色方式,一是RGB原色分色法,另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先,我们先了解一下两种分色法的概念,RGB即三原色分色法,几乎所有人类眼睛可以识别的颜色,都可以通过绿来组成,而RGB三个字母分别就是RedGreenBlue,这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK,这是由四个通道的颜色配合而成,他们分别是(C)、洋红 (M)、(Y)、(K)。在印刷业中,CMYK更为适用,但其调节出来的颜色不及RGB的多。

  原色CCD的优势在于画质锐利,色彩真实,但缺点则是噪点问题。相对的,补色CCD多了一个Y黄色滤色器,在色彩的分辨上比较仔细,但却牺牲了部分影像的分辨率

感光层


  CCD的第三层是“感光片”,这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号,并将信号传送到影像处理芯片,将影像还原。

CCD分类

线型CCD

使用线型CCD的扫描仪
    使用线型CCD的扫描仪

  线型CCD即CCD的感光元件排列在一条直线上。它成像方式是CCD在光学系统成像所在的焦平面上垂直扫过,得到一幅完整的影像。线性CCD的这种工作方式决定了它得到一幅完整的影像需要很长的时间,即嚗光时间很长。自然它就无法用于拍摄动态的物体,另外在嚗光过程中需要一致的光线环境,它也不支持闪光拍摄。

  虽然有如此重大的缺陷,但线性CCD的感光元件可以做到很高的线密度,这样用线性CCD可以得到极高像素数量的影像,因此它仍然被用于投影仪等设备,或者拍摄超高分辨率静物影像。

面型CCD


  面型CCD又称全幅式CCD、阵列型CCD。面型CCD的嚗光方式有以下三种。

相机内的CCD元件
         相机内的CCD元件
  1.单CCD芯片三次嚗光:即通过三色滤镜轮盘分别将红蓝绿三色光投射在CCD上,三次采集后合成得到影像。这种方式得到的影像质量很高,但三次嚗光,不能用于拍摄动态影像。

  2.三CCD芯片一次嚗光:三个CCD芯片,分别感应红绿蓝三色光(或其中两片感应绿色光,另一片感应红蓝光),自然光通过分光棱镜系统将三色光分别投影在CCD上,一次嚗光得到完整影像。这种方式得到的影像质量和单芯片三次嚗光一样,而一次嚗光可拍摄动态影像。缺点是三CCD的成本很高,分光棱镜的制作技术难度也很大。

  3.单CCD芯片一次嚗光:CCD上组合排列感应三种色光的像素,一次嚗光后得到影像,由于人眼对绿色最为敏感,通常CCD上的感绿色像素最多。这种方式的影像质量最低,但受成本的限制和对动态影像的拍摄要求,市面上主流产品大都采用单CCD芯片一次嚗光。

CCD的应用


CCD应用于摄影
         CCD应用于摄影
  近年来,CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展,特别是在图像传感非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展,CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度半导体材料集成,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,可由闪速存储器硬盘卡保存,可对被测物体进行准确的测量、分析。

  CCD最常应用于数码相机、光学扫瞄仪摄影机的感光元件。能捕捉到70%的入射光,优于传统菲林底片的2%,其优越的性能迅速获得天文学家的大量采用。

  传真机所用的是线型CCD,传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影。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。如此周着复始,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显示器

  数码相机摄影机所用的是面型CCD,一次捕捉一整张影像,或从中撷取一块方形的区域。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,但是效果一般。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。目前,超高分辨率的CCD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。这类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物品。

  CCD同时也广泛应用于天文摄影与各种夜视装置,而各大型天文台亦不断研发高像素CCD以拍摄极高解像之天体照片。CCD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行方向一致,速度也同步,以CCD导航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CCD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)摄影机/照相机等。因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应,天文用CCD常以液态半导体冷却。

CCD与COMS对比


COMS元件
             CMOS元件
  CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异。例如CCD传感器在灵敏度分辨率噪点控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过,随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异有逐渐缩小的态势。

灵敏度差异


  由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成,使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积,因此在象素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

成本差异


  由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路集成到传感器芯片中,因此可以节省外围芯片的成本;除此之外,由于CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其中有一个象素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多,即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平,因此,CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

分辨率差异

使用CCD的摄影机
        使用CCD的摄影机

  由于CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂,其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当我们比较相同尺寸的CCD与 CMOS传感器时,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。

噪声差异


  由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器,而放大器属于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪点就会增加很多,影响图像品质。

功耗差异


  CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,而此外加电压通常需要达到12~18V;因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外,高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。

CCD衡量标准


3CCD原理
              3CCD原理
  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CCD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CCD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CCD的像素数量应该越多越好。但CCD像素数的增加会使制造成本以及成品率下降,而且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,一千万左右的像素数对一般的数码产品已经足够了。

  单CCD数码产品中只有一片CCD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CCD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很的要求。为了解决这个问题,便出现了3CCD数码产品。用3片CCD分别接收绿三种颜色,然后经过电路处理后产生图像信号,这样,就构成了一个3CCD系统。和单CCD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CCD好。但由于使用了三片CCD以及其它技术,会令3CCD数码产品的价格要比单CCD贵很多。

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