1. CCD介紹 

 圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實物盡量真實地反映到虛擬的圖像

由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對微觀的電荷進行操作。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)換過程是在每個像素上完成的

3. CCD與CMOS

(1) 由于上面所說的結(jié)構(gòu)，CCD的電路更改就更方便。而由于CMOS的過分集成，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。

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

光子到電壓的轉(zhuǎn)化要經(jīng)歷如下過程：

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

B.這些電荷可以被儲存起來

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)過放大器轉(zhuǎn)化為電壓量

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

當有光子射到CCD的光電轉(zhuǎn)換層時，CCD表面就會產(chǎn)生電荷。

因為每個CCD單元都是一個電容器，所以它能儲存電荷。但是，當有電荷注入時，勢阱深度將隨之變淺，因為它始終要保持極板上的正電荷總量恒等于勢阱中自由電荷加上負離子的總和。

這一過程存在著以下問題：

當一個像素聚集過多的電荷后，就會出現(xiàn)電荷溢出，溢出的電荷會跑到相臨的像素勢阱里去。這樣電荷的電量就不能如實反映原物。也就是常說的blooming。

要避免這種情況發(fā)生的方法：

A.把桶做大些

B.讓雨早點停

C.間歇地，把裝滿水的桶倒出一些

D.做個導(dǎo)流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里

對應(yīng)的方法：

A.增大單位像素尺寸

B.縮短曝光時間

C.間歇開關(guān)時鐘電壓

D.溢出溝道和溢出門

缺點：對于暗的部分曝光不足，會降低速度,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。

當一個CCD芯片感光完畢后。每個像素所轉(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阱不對稱引起的，電壓高的地方，就會產(chǎn)生相對的勢阱，電荷會聚集在勢阱里。當高電壓的位置按照一定方向轉(zhuǎn)移時，勢阱的位置也會隨之轉(zhuǎn)移，如此，電荷就會隨著移動。

把CCD的電極分為幾組，相同組的電極施加相同的電壓來實現(xiàn)勢阱的移動。按照分組情況，可分為：2相，3相和4相CCD。

2相CCD勢阱與勢壘依次間隔一個電極的寬度

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

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)造相對簡單，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(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時，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，首先感光部分快速向不感光部分的對應(yīng)位置轉(zhuǎn)移。之后每一列向單行串行寄存器上相對應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時，感光部分的空間由于沒有了電荷可以繼續(xù)感光。

對比一下Full frame  和 Frame transfer 兩種傳輸模式。

Frame transfer 的優(yōu)勢在于，利用了像素間傳輸快的特點，從而忽略這一時間，使得，在上一幀電荷轉(zhuǎn)移出芯片的同時可以采集下一幀圖像。同時，這種模式，可以不加任何快門工作。但這樣做，畢竟還是會在很短的一段時間里，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，這就是常說的SMEAR現(xiàn)象。要避免這種現(xiàn)象，最好是給SENSOR加上快門。

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

那么，對于這種芯片的缺點，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，比如，微透鏡技術(shù)。

微型透鏡技術(shù)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(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，把相臨幾個像素所積累的電荷累加起來。作為一個電荷進行轉(zhuǎn)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(yōu)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?shù)?。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。

彩色形成，需要同一點的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，讓相臨四個像素分別只能接收R，G，G，B光。每個像素輸出的信息只是相應(yīng)色光的灰度值。之后，通過軟件合成為彩色。這樣，每個像素的彩色信息其實是不獨立的，依賴于相臨像素的信息。

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(shù)量。

CCD的重要特性和技術(shù)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(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.對于高精密測量，應(yīng)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?shù)男酒?，能提高傳輸速?br />
G.抗光暈技術(shù)，能夠防止過度曝光對圖像的影響

H.使用棱鏡技術(shù)的彩色CCD芯片，色彩更真實

I.光譜響應(yīng)范圍寬，可以對多種類的光敏感