1. CCD介紹 

 圖像采集和處理的過(guò)程，最基本的是要把實(shí)物盡量真實(shí)地反映到虛擬的圖像

由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對(duì)微觀的電荷進(jìn)行操作。就需要一個(gè)精密的器件來(lái)完成這兩個(gè)過(guò)程，我們常用的是CCD和COMS。

 2. CCD工作原理

由上面兩圖可看出：

CMOS和CCD最大的區(qū)別就是CMOS的

電荷到電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程是在每個(gè)像素上完成的

3. CCD與CMOS

(1) 由于上面所說(shuō)的結(jié)構(gòu)，CCD的電路更改就更方便。而由于CMOS的過(guò)分集成，電路更改就不方便。但可靠性高。

(2) CMOS功耗小。

(3) CMOS噪聲大。

(4) CMOS靈敏度差。

(5) CMOS速度快，由結(jié)構(gòu)決定。

(6) 成本CMOS便宜些。

從以上的對(duì)比可以看出：CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢(shì)。而常見(jiàn)的高速攝像頭則會(huì)采用CMOS芯片。

光子到電壓的轉(zhuǎn)化要經(jīng)歷如下過(guò)程：

A.有一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個(gè)感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)量的電荷

B.這些電荷可以被儲(chǔ)存起來(lái)

C.電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域

D. 電荷都要經(jīng)過(guò)放大器轉(zhuǎn)化為電壓量

CCD單元部分，就是一個(gè)由金屬-氧化物-半導(dǎo)體組成的電容量，簡(jiǎn)稱MOS。

當(dāng)有光子射到CCD的光電轉(zhuǎn)換層時(shí)，CCD表面就會(huì)產(chǎn)生電荷。

因?yàn)槊總€(gè)CCD單元都是一個(gè)電容器，所以它能儲(chǔ)存電荷。但是，當(dāng)有電荷注入時(shí)，勢(shì)阱深度將隨之變淺，因?yàn)樗冀K要保持極板上的正電荷總量恒等于勢(shì)阱中自由電荷加上負(fù)離子的總和。

這一過(guò)程存在著以下問(wèn)題：

當(dāng)一個(gè)像素聚集過(guò)多的電荷后，就會(huì)出現(xiàn)電荷溢出，溢出的電荷會(huì)跑到相臨的像素勢(shì)阱里去。這樣電荷的電量就不能如實(shí)反映原物。也就是常說(shuō)的blooming。

要避免這種情況發(fā)生的方法：

A.把桶做大些

B.讓雨早點(diǎn)停

C.間歇地，把裝滿水的桶倒出一些

D.做個(gè)導(dǎo)流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里

對(duì)應(yīng)的方法：

A.增大單位像素尺寸

B.縮短曝光時(shí)間

C.間歇開(kāi)關(guān)時(shí)鐘電壓

D.溢出溝道和溢出門(mén)

缺點(diǎn)：對(duì)于暗的部分曝光不足，會(huì)降低速度,制作復(fù)雜，且還有缺陷，所以，增大像素尺寸是最完善的做法。

當(dāng)一個(gè)CCD芯片感光完畢后。每個(gè)像素所轉(zhuǎn)換的電荷包，就按照一行的方向轉(zhuǎn)移出CCD感光區(qū)域。為下一次感光放空間。

4. 電荷轉(zhuǎn)移

CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移是由各極板下面的勢(shì)阱不對(duì)稱引起的，電壓高的地方，就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的勢(shì)阱，電荷會(huì)聚集在勢(shì)阱里。當(dāng)高電壓的位置按照一定方向轉(zhuǎn)移時(shí)，勢(shì)阱的位置也會(huì)隨之轉(zhuǎn)移，如此，電荷就會(huì)隨著移動(dòng)。

把CCD的電極分為幾組，相同組的電極施加相同的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱的移動(dòng)。按照分組情況，可分為：2相，3相和4相CCD。

2相CCD勢(shì)阱與勢(shì)壘依次間隔一個(gè)電極的寬度

而4相CCD，其勢(shì)阱與勢(shì)壘各占據(jù)2個(gè)電極的寬度阻隔相鄰像素間電荷的溢出能力更強(qiáng)，適用于高速時(shí)鐘。

5. Scan & Transfer

根據(jù)陣列排布方式的不同，CCD成像器件分為線陣列和面陣列兩大類。

線陣CCD的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，只是單行的感光和轉(zhuǎn)移。

而面陣芯片復(fù)雜一些。下面是一些常見(jiàn)的面陣排列方式。

陣列的每一個(gè)像素都感光，傳輸時(shí)，每一列向單行串行寄存器上相對(duì)應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時(shí)，串行寄存器向陣列的出口轉(zhuǎn)移陣列的一半像素感光，另一半被遮住，傳輸時(shí)，首先感光部分快速向不感光部分的對(duì)應(yīng)位置轉(zhuǎn)移。之后每一列向單行串行寄存器上相對(duì)應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時(shí)，感光部分的空間由于沒(méi)有了電荷可以繼續(xù)感光。

對(duì)比一下Full frame  和 Frame transfer 兩種傳輸模式。

Frame transfer 的優(yōu)勢(shì)在于，利用了像素間傳輸快的特點(diǎn)，從而忽略這一時(shí)間，使得，在上一幀電荷轉(zhuǎn)移出芯片的同時(shí)可以采集下一幀圖像。同時(shí)，這種模式，可以不加任何快門(mén)工作。但這樣做，畢竟還是會(huì)在很短的一段時(shí)間里，使得傳輸?shù)碾姾蛇€在接收新感光得到的電荷。從而使圖像出現(xiàn)一些類似拖尾的光斑，這就是常說(shuō)的SMEAR現(xiàn)象。要避免這種現(xiàn)象，最好是給SENSOR加上快門(mén)。

Full frame  由于sensor始終曝光，所以在傳輸時(shí)，快門(mén)遮擋是必須的。

那么，對(duì)于這種芯片的缺點(diǎn)，既不能充分利用所有入射光，也有一些新的技術(shù)可以彌補(bǔ)，比如，微透鏡技術(shù)。

微型透鏡技術(shù)的特點(diǎn)在于：
微透鏡陣列覆蓋CCD的全部表面，它能將入射的全部光線會(huì)聚在光電二極管上，這樣，入射光將得到接近100％的利用；
使用微透鏡技術(shù)可縮小光電二極管的尺寸，從而提高圖像傳感器的靈敏度；
光電二極管的尺寸縮小了，噪聲也隨著降低了；
光電二極管的尺寸縮小，可以有更大空間用于布置電子元器件和傳輸溝道等，促使CCD整體性能的提高。

此外，在CCD的制作過(guò)程中，還有一些其他非常有用的技術(shù)。

Binning 的作用，在于，把相臨幾個(gè)像素所積累的電荷累加起來(lái)。作為一個(gè)電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這樣做的效果，相當(dāng)于把幾個(gè)像素拼成了一個(gè)大像素使用。優(yōu)點(diǎn)，速度快。缺點(diǎn)，分辨率降低。

Binning  2*2

Vertical Binning

上面所述，都是按照，單行，單列的模式進(jìn)行電荷傳輸?shù)?。其?shí)，如果單行的像素太多，會(huì)影響傳輸速度。這時(shí)可以使用多溝道傳輸。

彩色形成，需要同一點(diǎn)的R/G/B三原色的數(shù)值。

1.用空間疊放的三片CCD，分別感R，G，B光，并在感光后過(guò)濾掉相應(yīng)色光。

2.利用棱鏡，將光線折射成三部分。在R，G，B三束光線的方向上分別帖上三片感光片，各自感光。

3.利用BAYER濾光片，讓相臨四個(gè)像素分別只能接收R，G，G，B光。每個(gè)像素輸出的信息只是相應(yīng)色光的灰度值。之后，通過(guò)軟件合成為彩色。這樣，每個(gè)像素的彩色信息其實(shí)是不獨(dú)立的，依賴于相臨像素的信息。

4.SUPER CCD ，一個(gè)蜂窩型的CCD感光片，每個(gè)像素被使用3次，相當(dāng)于增大了有效像素?cái)?shù)量。

CCD的重要特性和技術(shù)對(duì)于采集圖像的影響。

A.有效像素多，拍攝的圖像精度更高

B.幀頻高，速度快，拍攝的運(yùn)動(dòng)過(guò)程更細(xì)致

C.CCD的芯片，圖像質(zhì)量要比CMOS的好一些，但速度慢

D.像素尺寸大，能夠更多地接收光子，不容易飽和

E.對(duì)于高精密測(cè)量，應(yīng)盡量使用整個(gè)像素面積都感光的芯片,如Full frame 和 Frame transfer

F.使用多通道傳輸?shù)男酒?，能提高傳輸速?br />
G.抗光暈技術(shù)，能夠防止過(guò)度曝光對(duì)圖像的影響

H.使用棱鏡技術(shù)的彩色CCD芯片，色彩更真實(shí)

I.光譜響應(yīng)范圍寬，可以對(duì)多種類的光敏感