1. CCD介紹 

 圖像采(cai)集和(he)處理的(de)過程(cheng)，最基本的(de)是要把實物(wu)盡量真實地反映到(dao)虛(xu)擬(ni)的(de)圖像

由于光電(dian)轉換設備和放大設備都是(shi)針對微觀的電(dian)荷進行操作。就需要一個精密的器件來完成這兩個過程，我們常用的是(shi)CCD和COMS。

 2. CCD工作原理

由上面兩圖可看出：

CMOS和CCD最(zui)大的區別就是CMOS的

電(dian)(dian)荷到電(dian)(dian)壓轉換過(guo)程(cheng)是在(zai)每個像素上完成的

3. CCD與CMOS

(1) 由(you)于上面(mian)所說(shuo)的結構，CCD的電路(lu)更改(gai)就更方便。而由(you)于CMOS的過(guo)分集(ji)成，電路(lu)更改(gai)就不方便。但(dan)可靠性高。

(2) CMOS功耗小。

(3) CMOS噪(zao)聲大。

(4) CMOS靈敏度差。

(5) CMOS速度快，由結構決定(ding)。

(6) 成本CMOS便宜些。

從以上(shang)的對比可以看出：CCD在圖像的質量(liang)上(shang)更有優勢(shi)。而常見的高速攝像頭(tou)則會采(cai)用CMOS芯片。

光子到電壓的轉(zhuan)化(hua)要經歷(li)如下過程：

A.有一個光電(dian)轉換裝置把入射到(dao)每(mei)一個感光像素上的(de)光子轉化為相應數量的(de)電(dian)荷

B.這(zhe)些電荷(he)可以被儲存起來

C.電荷可(ke)以(yi)被(bei)有秩序地轉移出感光區域(yu)

D. 電荷都(dou)要經(jing)過放(fang)大(da)器轉(zhuan)化為電壓量

CCD單元部分(fen)，就(jiu)是(shi)一個由(you)金屬-氧(yang)化物-半導(dao)體組成的電容量，簡稱MOS。

當有光子射到CCD的光電轉換層時，CCD表面就會產生電荷(he)。

因(yin)為每個CCD單元都是一個電容器(qi)，所以它能儲存(cun)電荷。但是，當有電荷注入時，勢阱(jing)深度將隨之變淺，因(yin)為它始終要(yao)保持(chi)極板上的正電荷總量恒等于勢阱(jing)中自由電荷加上負離子的總和。

這一過程存在著以下(xia)問題：

當(dang)一個像(xiang)素聚(ju)集過多的電(dian)荷(he)后，就會出現電(dian)荷(he)溢出，溢出的電(dian)荷(he)會跑到(dao)相臨(lin)的像(xiang)素勢阱里去。這樣電(dian)荷(he)的電(dian)量(liang)就不(bu)能如實(shi)反映原物(wu)。也就是常(chang)說的blooming。

要(yao)避免這種情況發生的方法：

A.把桶做大些

B.讓雨早點停

C.間歇(xie)地(di)，把裝(zhuang)滿(man)水的桶倒(dao)出一(yi)些

D.做個導流管，讓溢出(chu)的水(shui)流到地上(shang)去，不要流到其他桶(tong)里

對應的方法：

A.增大(da)單(dan)位像(xiang)素尺寸

B.縮短曝光時間

C.間(jian)歇開關時鐘電(dian)壓(ya)

D.溢出溝(gou)道和溢出門

缺點：對(dui)于暗的(de)部分(fen)曝光不足，會降低速度(du),制(zhi)作復雜，且還有(you)缺陷，所以，增(zeng)大像素尺寸是最完(wan)善(shan)的做法。

當一個CCD芯片感(gan)光完(wan)畢后。每個像素所轉換(huan)的電荷包，就按(an)照(zhao)一行的方向轉移出CCD感(gan)光區域。為下(xia)一次感(gan)光放空間。

4. 電荷轉移

CCD中(zhong)電荷(he)包的(de)(de)轉(zhuan)移(yi)是由各極板(ban)下面的(de)(de)勢阱(jing)不(bu)對(dui)稱引(yin)起(qi)的(de)(de)，電壓(ya)高的(de)(de)地(di)方(fang)，就會(hui)產生相(xiang)對(dui)的(de)(de)勢阱(jing)，電荷(he)會(hui)聚(ju)集(ji)在勢阱(jing)里。當高電壓(ya)的(de)(de)位置(zhi)按照一(yi)定方(fang)向轉(zhuan)移(yi)時，勢阱(jing)的(de)(de)位置(zhi)也會(hui)隨之(zhi)轉(zhuan)移(yi)，如此，電荷(he)就會(hui)隨著移(yi)動。

把CCD的電極(ji)(ji)分為幾組，相同(tong)組的電極(ji)(ji)施加相同(tong)的電壓來實現勢阱的移動。按照分組情況，可(ke)分為：2相，3相和4相CCD。

2相CCD勢阱與(yu)勢壘(lei)依次間隔一個電極(ji)的(de)寬度

而4相CCD，其勢阱與勢壘各占據(ju)2個電極的寬度(du)阻隔(ge)相鄰像素間電荷的溢出能力更強，適用(yong)于高速時鐘。

5. Scan & Transfer

根據(ju)陣(zhen)列排(pai)布(bu)方(fang)式的(de)不同，CCD成像器件分為線陣(zhen)列和(he)面陣(zhen)列兩大(da)類。

線(xian)陣(zhen)CCD的構造(zao)相對簡(jian)單(dan)，只是單(dan)行(xing)的感光和轉移。

而面陣芯(xin)片復雜一些。下面是(shi)一些常見的面陣排列方式。

陣列的每一個像素都感光，傳輸時，每一列向單行串行寄存器上相對應的位置轉移。同時，串行寄存器向陣列的出口轉移陣列的(de)一(yi)(yi)(yi)半像(xiang)素感(gan)光(guang)(guang)，另一(yi)(yi)(yi)半被遮住，傳輸時，首先感(gan)光(guang)(guang)部(bu)分(fen)(fen)快速向(xiang)不(bu)感(gan)光(guang)(guang)部(bu)分(fen)(fen)的(de)對應位置轉移。之后每(mei)一(yi)(yi)(yi)列向(xiang)單行串(chuan)行寄存器上相對應的(de)位置轉移。同時，感(gan)光(guang)(guang)部(bu)分(fen)(fen)的(de)空間由于(yu)沒有了電荷可(ke)以繼續感(gan)光(guang)(guang)。

對比(bi)一下Full frame  和 Frame transfer 兩種傳(chuan)輸模(mo)式。

Frame transfer 的(de)(de)優(you)勢在于，利用了像素間傳輸(shu)快(kuai)的(de)(de)特(te)點，從而(er)忽略這一(yi)時(shi)間，使得，在上(shang)一(yi)幀電荷轉移出(chu)芯片的(de)(de)同(tong)時(shi)可以采集(ji)下(xia)一(yi)(yi)幀圖像。同時(shi)，這(zhe)種模式(shi)，可以不加任何快(kuai)門工作。但這(zhe)樣做(zuo)，畢(bi)竟還(huan)是(shi)(shi)會在很短的(de)一(yi)(yi)段(duan)時(shi)間(jian)里，使得(de)(de)傳(chuan)輸的(de)電(dian)荷還(huan)在接(jie)收新感光得(de)(de)到(dao)的(de)電(dian)荷。從(cong)而使圖像出現(xian)一(yi)(yi)些(xie)類似拖尾(wei)的(de)光斑，這(zhe)就是(shi)(shi)常說的(de)SMEAR現(xian)象。要避(bi)免這(zhe)種現(xian)象，最好是(shi)(shi)給SENSOR加上快(kuai)門。

Full frame  由于(yu)sensor始終曝光，所以在(zai)傳輸時，快門遮(zhe)擋是必須(xu)的。

那么，對于這(zhe)種(zhong)芯片的(de)缺點，既不能(neng)充分利(li)用所有入射光，也有一些新的(de)技(ji)術可(ke)以(yi)彌補，比如(ru)，微透鏡技(ji)術。

微型透鏡技術的特點在于：
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的制作過程中，還有一些其他非常有用的技術。

Binning 的作用，在于，把相臨幾個像素所積累的電荷累加起來。作為一個電荷進行轉換。這樣做的效果，相當于把幾個像素拼成了一個大像素使用。優點，速度快。缺點，分辨率降低。

Binning  2*2

Vertical Binning

上面所述，都是按照，單行，單列的模式進行電荷傳輸的。其實，如果單行的像素太多，會影響傳輸速度。這時可以使用多溝道傳輸。

彩色(se)形成，需要(yao)同一點的R/G/B三原(yuan)色(se)的數值。

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

2.利用棱鏡，將(jiang)光(guang)線(xian)折(zhe)射成(cheng)三(san)(san)部分。在R，G，B三(san)(san)束光(guang)線(xian)的方向上(shang)分別帖上(shang)三(san)(san)片(pian)感(gan)(gan)光(guang)片(pian)，各自感(gan)(gan)光(guang)。

3.利用BAYER濾光片(pian)，讓相臨(lin)四個(ge)像(xiang)素(su)分別只能(neng)接收R，G，G，B光。每個(ge)像(xiang)素(su)輸出的信(xin)息只是相應色光的灰度值。之(zhi)后，通過軟件合成為彩色。這樣，每個(ge)像(xiang)素(su)的彩色信(xin)息其(qi)實是不獨立的，依賴于相臨(lin)像(xiang)素(su)的信(xin)息。

4.SUPER CCD ，一個蜂窩型的CCD感光片，每個像素被使用3次，相當于增大了有效像素數量。

CCD的重要特性和技術對于采集圖像的影響。

A.有效像素多，拍攝的圖像精度更高

B.幀頻高，速度快，拍攝的運動過程更細致

C.CCD的芯片，圖像質量要比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.對于高精密測量，應盡量使用整個像素面積都感光的芯片,如Full frame 和 Frame transfer

F.使用多通道傳輸的芯片，能提高傳輸速度

G.抗光暈技術，能夠防止過度曝光對圖像的影響

H.使用棱鏡技術的彩色CCD芯片，色彩更真實

I.光譜響應范圍寬，可以對多種類的光敏感