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CCD電荷耦合器件的原理

來源:中國數(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

CCD電荷耦合器件的原理

      Charge Coupled Device (CCD) 電荷耦合器件。 

  CCD是一種半導體裝置,能夠把光學影像轉化為數(shù)字信號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像素(Pixel)。一塊CCD上包含的像素數(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換成數(shù)字信號。CCD在攝像機、數(shù)碼相機和掃描儀中應用廣泛,只不過攝像機中使用的是點陣CCD,即包括x、y兩個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一個方向,y方向掃描由掃描儀的機械裝置來完成。 

  CCD的加工工藝有兩種,一種是TTL工藝,一種是CMOS工藝,現(xiàn)在市場上所說的CCD和CMOS其實都是CCD,只不過是加工工藝不同,前者是毫安級的耗電量,二后者是微安級的耗電量。TTL工藝下的CCD成像質量要優(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體材料制成,能把光線轉變成電荷,通過模數(shù)轉換器芯片轉換成數(shù)字信號,數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機,并借助于計算機的處理手段,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CCD表面受到光線照射時,每個感光單位會將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起,就構成了一幅完整的畫面。 

  CCD在攝像機里是一個極其重要的部件,它起到將光線轉換成電信號的作用,類似于人的眼睛,因此其性能的好壞將直接影響到攝像機的性能。 

  衡量CCD好壞的指標很多,有像素數(shù)量,CCD尺寸,靈敏度,信噪比等,其中像素數(shù)以及CCD尺寸是重要的指標。像素數(shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。攝像機拍攝的畫面可以理解為由很多個小的點組成,每個點就是一個像素。顯然,像素數(shù)越多,畫面就會越清晰,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大受影響,因此,理論上CCD的像素數(shù)量應該越多越好。但CCD像素數(shù)的增加會使制造成本以及成品率下降,而且在現(xiàn)行電視標準下,像素數(shù)增加到某一數(shù)量后,再增加對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數(shù)對一般的使用已經(jīng)足夠了。 

  單CCD攝像機是指攝像機里只有一片CCD并用其進行亮度信號以及彩色信號的光電轉換,其中色度信號是用CCD上的一些特定的彩色遮罩裝置并結合后面的電路完成的。由于一片CCD同時完成亮度信號和色度信號的轉換,因此難免兩全,使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達不到專業(yè)水平的要求。為了解決這個問題,便出現(xiàn)了3CCD攝像機。3CCD,顧名思義,就是一臺攝像機使用了3片CCD。我們知道,光線如果通過一種特殊的棱鏡后,會被分為紅,綠,藍三種顏色,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)生包括亮度信號在內的所有電視信號。如果分別用一片CCD接受每一種顏色并轉換為電信號,然后經(jīng)過電路處理后產(chǎn)生圖像信號,這樣,就構成了一個3CCD系統(tǒng)。 

  和單CCD相比,由于3CCD分別用3個CCD轉換紅,綠,藍信號,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攝像機的價格要比單CCD貴很多。 

  四色CCD是索尼公司在2003年推出的一種CCD新技術。四色即紅 綠 藍 品紅(RGBE)相對與傳統(tǒng)的三色(紅 綠 藍),四色CCD的色彩還原錯誤率進一步降低。因而使色彩還原更逼真。首款采用四色CCD的數(shù)碼相機是SNOY DSC—F828數(shù)碼相機規(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,實際上就是CCD對角線的長度。 

  現(xiàn)有的數(shù)碼相機一般采用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換為電信號。在像素數(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。 

  但是,數(shù)碼相機畫質的好壞不僅是由CCD決定的。鏡頭以及通過CCD輸出的電信號形成圖像的電路的性能等也能夠影響到相機的畫質。所謂的“大尺寸CCD=高畫質”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)碼相機并沒有受到畫質不好的批評。 

  現(xiàn)在,袖珍數(shù)碼相機日趨小巧輕便,出于設計上的考慮,其中大多采用1/2.7英寸的小型CCD。 

  1/2.7英寸的“型”有時也寫作“inch”,不過,在這里不是普通的“1英寸=25.4mm”。由于結合了CCD亮相前攝像機上使用的攝像管和顯示方式,因此,習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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