CCD成像原理與分類(lèi)

CCD成像原理與分類(lèi)08應(yīng)用物理朱聰聰i08690139導(dǎo)言CCD的工作方式CCD的三層結(jié)構(gòu)四種類(lèi)型的CCD富士SUPERCCD蜂窩技術(shù)一.CCD的工作方式CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對(duì)視覺(jué)的工作方式。只不過(guò)，人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工合作組成視覺(jué)感應(yīng)。CCD經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)35年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。CCD的組成主要是由一個(gè)類(lèi)似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產(chǎn)CCD的公司分別為：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp，大半是日本廠商。二CCD的三層結(jié)構(gòu)分解CCD結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，為了幫助CCD能夠組合呈彩色影像，網(wǎng)格被發(fā)展成具有規(guī)則排列的色彩矩陣，這些網(wǎng)格以紅R、綠G和藍(lán)B濾鏡片所組成（三原色CCD），亦有補(bǔ)色CCD（為CMYG..Y黃色）。每一個(gè)CCD元件由上百萬(wàn)個(gè)MOS電容所構(gòu)成（光點(diǎn)的多寡端看CCD的畫(huà)素而定）。當(dāng)數(shù)位相機(jī)的快門(mén)開(kāi)啟，來(lái)自影像的光線穿過(guò)這些馬賽克色塊會(huì)讓感光點(diǎn)的二氧化矽材料釋放出電子〈負(fù)電〉與電洞〈正電〉。經(jīng)由外部加入電壓，這些電子和電洞會(huì)被轉(zhuǎn)移到不同極性的另一個(gè)矽層暫存起來(lái)。電子數(shù)的多寡和曝光過(guò)程光點(diǎn)所接收的光量成正比。在一個(gè)影像最明亮的部位，可能有超過(guò)10萬(wàn)個(gè)電子被積存起來(lái)。

以市面上常見(jiàn)的IL型CCD為例，曝光之后所有產(chǎn)生的電荷都會(huì)被轉(zhuǎn)移到鄰近的移位暫存器中，并且逐次逐行的轉(zhuǎn)換成信號(hào)流從矩陣中讀取出來(lái)。這些強(qiáng)弱不一的訊號(hào)，會(huì)被送入一個(gè)DSP也就是數(shù)位影像處理單元。在這個(gè)單元之中有一個(gè)A/D類(lèi)比數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)換器。這個(gè)轉(zhuǎn)換器能將信號(hào)的連續(xù)范圍配合色塊碼賽克的分布，轉(zhuǎn)換成一個(gè)2D的平面表示系列，它讓每個(gè)畫(huà)素都有一個(gè)色調(diào)值，應(yīng)用這個(gè)方法，再由點(diǎn)組成網(wǎng)格，每一個(gè)點(diǎn)（畫(huà)素）現(xiàn)在都有用以表示它所接受的光量的二進(jìn)位數(shù)據(jù)，可以顯示強(qiáng)弱大小，最終再整合影像輸出。三.四種類(lèi)型的CCD因應(yīng)不同種類(lèi)的工作需求，業(yè)界發(fā)展出四種不同類(lèi)型的CCD：Linear線性CCDInterline掃瞄CCD全景Full-FrameCCDFrame-Transfer全傳CCDLinear線性CCDLinear線性CCD是以一維感光點(diǎn)構(gòu)成，透過(guò)步進(jìn)馬達(dá)掃瞄圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較使用2維CCD的數(shù)位相機(jī)來(lái)得慢。這型CCD大多用于平臺(tái)式掃描器之上。Interline掃瞄CCD

Interline掃瞄型CCD的曝光步驟（STEP1.-見(jiàn)圖）和前面介紹的相同，所不同處在于讀取電荷的方式。InterlineCCD透過(guò)垂直傳送帶（STEP2.）從暫存矩陣中讀出訊號(hào)，再向下轉(zhuǎn)移至底部水平轉(zhuǎn)換記錄器（STEP3.），然后電荷在搬到放大器中（橘色圓圈），之后在到DSP里讀出水平光電位置行列，最后產(chǎn)生電子信號(hào)代表一張完整的數(shù)位影像。清空暫存器后，再重新設(shè)定光電位置以便接收下一張影像。IL型CCD的優(yōu)點(diǎn)在于曝光后即可將電荷儲(chǔ)存于暫存器中，元件可以繼續(xù)拍攝下一張照片，因此速度較快，目前的反應(yīng)速度以已經(jīng)可達(dá)每秒15張以上。但I(xiàn)L的缺點(diǎn)則是暫存區(qū)占據(jù)了感光點(diǎn)的面積，因此動(dòng)態(tài)范圍（DynamicRange-系統(tǒng)最亮與最暗之間差距所能表現(xiàn)的程度）較小。不過(guò)，由于其速度快、成本較低，因此市面上超過(guò)86％以上的數(shù)位相機(jī)都以IL型CCD為感光元件Full-Frame全像CCD

Full-Frame全像CCD是一種架構(gòu)更簡(jiǎn)單的感光設(shè)計(jì)。有鑒于IL的缺點(diǎn)，F(xiàn)F改良可以利用整個(gè)感光區(qū)域（沒(méi)有暫存區(qū)的設(shè)計(jì)），有效增大感光范圍，同時(shí)也適用長(zhǎng)時(shí)間曝光。其曝光過(guò)程和Interline相同，不過(guò)感光和電荷輸出過(guò)程是分開(kāi)。因此，使用FFCCD的數(shù)位相機(jī)在傳送電荷資訊時(shí)必須完全關(guān)閉快門(mén)，以隔離鏡頭入射的光線，防止干擾。這也意味著FF必須使用機(jī)械快門(mén)（無(wú)法使用IL的電子CLOCK快門(mén)），同時(shí)也限制了FFCCD的連續(xù)拍攝能力。Full-FrameCCD大多被用在頂級(jí)的數(shù)位機(jī)背上。Frame-Transfer全傳CCD

Frame-Transfer全傳CCD的架構(gòu)則是介于IL和FF之間的產(chǎn)品，它分成兩個(gè)部分上半部分是感光區(qū)，下半部則是暫時(shí)存儲(chǔ)區(qū)。整體來(lái)說(shuō)Frame-TransferCCD非常的類(lèi)似Full-FrameCCD，它的特點(diǎn)在于直接規(guī)劃了一個(gè)大型暫存區(qū)。一旦FTCCD運(yùn)作，它可以迅速將電荷轉(zhuǎn)移到下方的暫存區(qū)中，本身則可以繼續(xù)曝光拍照。這個(gè)設(shè)計(jì)，讓FT同IL一樣可以使用電子快門(mén)，但同時(shí)也可增加感光面積和速度。FTCCD主要是由荷蘭Philips公司開(kāi)發(fā)，后來(lái)技術(shù)移轉(zhuǎn)給SANYO公司發(fā)展成VPMIX技術(shù)。三洋對(duì)VPMIX的改良相當(dāng)成功，使它的數(shù)位相機(jī)能兼具靜態(tài)和動(dòng)畫(huà)的拍攝能力（可達(dá)30fps的拍攝速度，在動(dòng)畫(huà)運(yùn)用上非常出四.富士SUPERCCD蜂窩技術(shù)從上述的文章中我們可以了解，CCD的感光點(diǎn)排列是影響CCD感光范圍和動(dòng)態(tài)能力的關(guān)鍵。早期的CCD都是井然有序的“耕田”狀。當(dāng)CCD技術(shù)到了日本富士手中，工程師開(kāi)始省思CCD一定要這樣排列嗎？為了兼具IL的低成本設(shè)計(jì)，又要能兼顧FF的大感光面積，富士提出了一個(gè)跌破專(zhuān)家眼鏡的折衷方案SuperCCD。SUPERCCD是目前市面上唯一使用