CCD電荷耦合器件的原理
來源:中國(guó)數(shù)字音視網(wǎng) 作者:Ann 編輯:數(shù)字音視工程 2009-12-04 00:00:00 加入收藏 咨詢

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Charge Coupled Device (CCD) 電荷耦合器件。
CCD是一種半導(dǎo)體裝置,能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel)。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多,其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣,但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和掃描儀中應(yīng)用廣泛,只不過攝像機(jī)中使用的是點(diǎn)陣CCD,即包括x、y兩個(gè)方向用于攝取平面圖像,而掃描儀中使用的是線性CCD,它只有x一個(gè)方向,y方向掃描由掃描儀的機(jī)械裝置來完成。
CCD的加工工藝有兩種,一種是TTL工藝,一種是CMOS工藝,現(xiàn)在市場(chǎng)上所說的CCD和CMOS其實(shí)都是CCD,只不過是加工工藝不同,前者是毫安級(jí)的耗電量,二后者是微安級(jí)的耗電量。TTL工藝下的CCD成像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS工藝下的CCD。CCD廣泛用于工業(yè),民用產(chǎn)品。
CCD它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成,能把光線轉(zhuǎn)變成電荷,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī),并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段,根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成,通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí),每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起,就構(gòu)成了一幅完整的畫面。
CCD在攝像機(jī)里是一個(gè)極其重要的部件,它起到將光線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的作用,類似于人的眼睛,因此其性能的好壞將直接影響到攝像機(jī)的性能。
衡量CCD好壞的指標(biāo)很多,有像素?cái)?shù)量,CCD尺寸,靈敏度,信噪比等,其中像素?cái)?shù)以及CCD尺寸是重要的指標(biāo)。像素?cái)?shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。攝像機(jī)拍攝的畫面可以理解為由很多個(gè)小的點(diǎn)組成,每個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)像素。顯然,像素?cái)?shù)越多,畫面就會(huì)越清晰,如果CCD沒有足夠的像素的話,拍攝出來的畫面的清晰度就會(huì)大受影響,因此,理論上CCD的像素?cái)?shù)量應(yīng)該越多越好。但CCD像素?cái)?shù)的增加會(huì)使制造成本以及成品率下降,而且在現(xiàn)行電視標(biāo)準(zhǔn)下,像素?cái)?shù)增加到某一數(shù)量后,再增加對(duì)拍攝畫面清晰度的提高效果變得不明顯,因此,一般一百萬左右的像素?cái)?shù)對(duì)一般的使用已經(jīng)足夠了。
單CCD攝像機(jī)是指攝像機(jī)里只有一片CCD并用其進(jìn)行亮度信號(hào)以及彩色信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換,其中色度信號(hào)是用CCD上的一些特定的彩色遮罩裝置并結(jié)合后面的電路完成的。由于一片CCD同時(shí)完成亮度信號(hào)和色度信號(hào)的轉(zhuǎn)換,因此難免兩全,使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達(dá)不到專業(yè)水平的要求。為了解決這個(gè)問題,便出現(xiàn)了3CCD攝像機(jī)。3CCD,顧名思義,就是一臺(tái)攝像機(jī)使用了3片CCD。我們知道,光線如果通過一種特殊的棱鏡后,會(huì)被分為紅,綠,藍(lán)三種顏色,而這三種顏色就是我們電視使用的三基色,通過這三基色,就可以產(chǎn)生包括亮度信號(hào)在內(nèi)的所有電視信號(hào)。如果分別用一片CCD接受每一種顏色并轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后經(jīng)過電路處理后產(chǎn)生圖像信號(hào),這樣,就構(gòu)成了一個(gè)3CCD系統(tǒng)。
和單CCD相比,由于3CCD分別用3個(gè)CCD轉(zhuǎn)換紅,綠,藍(lán)信號(hào),拍攝出來的圖像從彩色還原上要比單CCD來的自然,亮度以及清晰度也比單CCD好。但由于使用了三片CCD,3CCD攝像機(jī)的價(jià)格要比單CCD貴很多。
四色CCD是索尼公司在2003年推出的一種CCD新技術(shù)。四色即紅 綠 藍(lán) 品紅(RGBE)相對(duì)與傳統(tǒng)的三色(紅 綠 藍(lán)),四色CCD的色彩還原錯(cuò)誤率進(jìn)一步降低。因而使色彩還原更逼真。首款采用四色CCD的數(shù)碼相機(jī)是SNOY DSC—F828數(shù)碼相機(jī)規(guī)格表中的CCD一欄經(jīng)常寫著“1/2.7英寸CCD”等。這里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸,實(shí)際上就是CCD對(duì)角線的長(zhǎng)度。
現(xiàn)有的數(shù)碼相機(jī)一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。CCD是受光元件(像素)的集合體,接收透過鏡頭的光并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在像素?cái)?shù)一樣的情況下,CCD尺寸越大單位像素就越大。這樣,單位像素可以收集更多的光線,因此,理論上可以說有利于提高畫質(zhì)。
但是,數(shù)碼相機(jī)畫質(zhì)的好壞不僅是由CCD決定的。鏡頭以及通過CCD輸出的電信號(hào)形成圖像的電路的性能等也能夠影響到相機(jī)的畫質(zhì)。所謂的“大尺寸CCD=高畫質(zhì)”是不正確的。例如,雖然1/2.7英寸比1/1.8英寸尺寸小,但配備1/2.7英寸CCD的數(shù)碼相機(jī)并沒有受到畫質(zhì)不好的批評(píng)。
現(xiàn)在,袖珍數(shù)碼相機(jī)日趨小巧輕便,出于設(shè)計(jì)上的考慮,其中大多采用1/2.7英寸的小型CCD。
1/2.7英寸的“型”有時(shí)也寫作“inch”,不過,在這里不是普通的“1英寸=25.4mm”。由于結(jié)合了CCD亮相前攝像機(jī)上使用的攝像管和顯示方式,因此,習(xí)慣上采用比較特殊的尺寸。1/2.7英寸為6.6mm,1/1.8英寸約為9mm。
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