【专题】CCD | 易学教程

专题：CCD

SkySeraph NOV.3th 2010 HQU

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Latest Modified Date：NOV.5th 2010 HQU

入门

http://wenku.baidu.com/view/3a9b661c59eef8c75fbfb3fc.html 从诺贝尔奖看CCD的前世今生

http://wenku.baidu.com/album/view/8656cebff121dd36a32d8277 CCD专题资料

http://www.allwiki.com/wiki/%E6%95%B0%E7%A0%81%E7%9B%B8%E6%9C%BA%E8%B5%84%E6%BA%90%E9%A1%B5%E9%9D%A2 天下维客

基本概念

CCD	Charge Coupled Device 电荷耦合器
像素pixel	像素是感光点(感光二极管)的个数；有效像素是计算后恢复的像素个数，一般大于实际像素 8bpp(比特每像素)=256色，16bpp=高彩色，24bpp=真彩色，48bpp用于专业扫描仪； <=256色的图像通常以块或平面格式存储在显存中，显存中的每一个像素是到调色板的颜色组的索引值；
兆像素magepixel	=1百万个像素；
Fill Factor填充因子	CCD实际感光面积占像素面积的比值，影响灵敏度，隔行传输式实际值30%
Well Capacity井深	像素可堆积的电荷的多少，85k/350k，影响灵敏度，衡量动力学范围Dynamic Range
Dynamic Range	描述从CCD中可以得到多少数量的灰度级别，用来表示饱和电压和摄像头随机噪声比率

成像系统组成

CCD参数

http://skyseraph.blog.51cto.com/1955637/416151 深入说说CCD参数

http://wenku.baidu.com/view/b047ceea551810a6f524864f.html CCD与光源

感光元件大小
Field Of View	实际视场=CCD(垂直*水平)/光学放大倍数
Primary Magnification	PMAG=CCD大小mm/视场范围mm
解析度
MTF
DOF=Depth Of Field
行频/帧频	每秒扫描多少线/每秒多少副画
像元	CCD芯片的最小组成单元，在一个积分周期内，每个像元受光照后产生电荷，之后电荷转移，信号读取。

像元衡量指标

像元大小	像元尺寸越大，传递函数越高
像元数量	像元数越多，分辨率越高
行频	单位时间（s）内所能扫过的行数
数据率	单位时间（s）内所能传输的数据

参考：

http://zazaniao.blog.163.com/blog/static/142145052008112184032965/ 像元衡量指标

http://www.cnblogs.com/aa2004/archive/2005/06/24/180535.html 像素与CCD之间的秘密

性能及性能指标

http://skyseraph.blog.51cto.com/1955637/416157 CCD摄像机性能及性能指标

CCD &CMOS

	CCD	CMOS
电路更改	方便	固定
速度	慢	快
噪声	好	差
灵敏度	好	差
功耗	毫安级	微安级
成本	高	低
设计	单一感光器	感光器连接放大器

CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。

CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。

CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。

参考：

http://www.dalsa.com/corp/markets/ccd_vs_cmos.aspx CCD & CMOS

http://www.xamv.com/xiazai/8.html CCD与CMOS对比

CCD分类

线阵 & 面阵	二维图像的获取、每行的像元总数、成本
工作方式[仅Area]	FT(Frame Transfer)、IT(Interline Transfer)、FIT行帧转移型
扫描/传输方式	全帧Full Frame & 隔行interline ：专业级&民用级
CCD靶面大小[1]	1/3'、1/4'、1/2'、2/3'、1'
供电电源	100-115VAC（NTSC制式多属此类）， 220VAC， 24VAC 12VDC或9VDC（微型摄像机多属此类）
采光方式	前照式&背照式

注[1] CCD的尺寸沿袭了CCTV对图像尺寸的要求，长宽比为4:3

参考：http://www.allwiki.com/wiki/%E7%BA%BF%E9%98%B5CCD 线阵CCD

CCD工业相机类型

一、面阵CCD：允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。

二、线阵CCD：用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。! u3 w" G% Z$ L# d

三、三线传感器CCD：在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖 RGB滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。

四、交织传输CCD：这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。

五、全幅面CCD：此种CCD 具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD 允许即时拍摄全彩图片。全幅面 CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD 曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。

参考：http://www.vihome.com.cn/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=5523&highlight=ccd

CCD接口

详见总线接口概总

CCD执行标准

CCIR	欧洲标准
RS170(EIA)	美洲标准

数码相机曝光

整个流程

1．机械快门打开，CCD曝光

2．在CCD内部光信号转为电信号

3．快门关闭，阻塞光线。

4．电量传送到CCD输出口转化为信号。

5．信号被数字化，数字资料输入内存。

6．图像资料被进行处理，显示在LCD或电脑上。

参考：http://www.vihome.com.cn/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=5523&highlight=ccd

产品产商

产商

索尼SONY、飞利浦、NEC、柯达公司。。。

前七大厂商皆为日系厂商，占了全球98.5%的市场份额

国内CCD研究

在中国期刊全文数据库和万方数据库按主题相关度排序，对2003-2010年间FPGA设计CCD驱动的论文抽取了前52篇进行统计，得到了CCD研究现状的大致情况：

CCD芯片选用情况：

DALSA公司	14篇——4篇线阵；3篇TDI线阵；5篇全帧面阵；2篇帧转移面阵；
TOSHIBA公司	10篇——全部为线阵CCD。
SONY公司	5篇——全部为行间转移（面阵）CCD。
E2V公司	5篇——全部为帧转移（面阵）CCD。
Kodak公司	4篇——3篇行间转移面阵；1篇全帧面阵为最新发表论文。
Sarnoff公司	2篇——都为帧转移（面阵）CCD。
Fairchild公司	2篇——都为全帧面阵CCD。
ATMEL公司	3篇——2篇线阵；1篇帧转移CCD为最新发表论文。

根据以上统计结果，目前国内CCD论文研究的分布特点：

线阵CCD研究集中在TOSHIBA公司CCD上，DALSA公司和ATMEL公司线阵CCD研究也有少量；

TDI 线阵CCD研究对DALSA公司IL-E2有3篇论文；

行间转移面阵CCD研究造型集中在SONY公司和Kodak公司；

帧转移面阵CCD选型集中在E2V公司，少数为DALSA公司、Sarnoff公司及ATMEL公司；

全帧面阵CCD的造型集中在DALSA公司，少数为Fairchild和Kodak公司。

CCD摄像头芯片

TOSHIBA公司主要线阵CCD产品型号： TCD103D、TCD132D、TCD1251UD、TCD1501D、TCD1703C、TCD1500C、TCD1200D、TCD1208P、TCD1209D、TCD2252D、TCD1702C、TCD2901D、TCD2557D、TCD1304AP等。

NEC公司主要线阵CCD产品型号：

D3573D、D3777CY、D3778CY、D3733D、D3737D、D3794CY、D8890CY、D8891CY、D3798CY、D3594D

D3597CY、D3598CY、D3599CY、D3599CY、D8861CY、D8873CY、D8873D、D8823D、D8870CY、D8870ES、D8871CY、D8872CY

SONY公司主要线阵CCD产品型号：ILX516K、ILX520K、ILX101K、LX518K、ILX519KA、ILX522K、ILX531A、ILX181K、ILX182K、ILX532A、ILX532A、ILX533K、ILX533KB、ILX539KA、ILX539K、ILX540K、ILX540M、ILX540L、ILX551B、ILX551A

CCD结构与工作原理

CCD芯片的工作方式：光电转换、电荷存储、电荷转移、转化为电压量

参考：

http://wenku.baidu.com/view/cf85fc335a8102d276a22fe6.html CCD的工作原理及应用现状

http://wenku.baidu.com/view/ec5fb56fb84ae45c3b358c4d.html CCD摄像器件工作原理、驱动方式及应用

http://wenku.baidu.com/view/2adfef1755270722192ef7de.html 三种CCD工作原理的剖析