CCD成像原理與分類

會計學1CCD成像原理與分類一.CCD的工作方式CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng)膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞，分工合作組成視覺感應。CCD經(jīng)過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型。CCD的組成主要是由一個類似馬賽克的網(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。第1頁/共13頁二CCD的三層結構分解CCD結構可以發(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B濾鏡片所組成（三原色CCD），亦有補色CCD（為CMYG..Y黃色）。每一個CCD元件由上百萬個MOS電容所構成（光點的多寡端看CCD的畫素而定）。當數(shù)位相機的快門開啟，來自影像的光線穿過這些馬賽克色塊會讓感光點的二氧化矽材料釋放出電子〈負電〉與電洞〈正電〉。經(jīng)由外部加入電壓，這些電子和電洞會被轉移到不同極性的另一個矽層暫存起來。電子數(shù)的多寡和曝光過程光點所接收的光量成正比。在一個影像最明亮的部位，可能有超過10萬個電子被積存起來。第2頁/共13頁

以市面上常見的IL型CCD為例，曝光之后所有產(chǎn)生的電荷都會被轉移到鄰近的移位暫存器中，并且逐次逐行的轉換成信號流從矩陣中讀取出來。這些強弱不一的訊號，會被送入一個DSP也就是數(shù)位影像處理單元。在這個單元之中有一個A/D類比數(shù)位訊號轉換器。這個轉換器能將信號的連續(xù)范圍配合色塊碼賽克的分布，轉換成一個2D的平面表示系列，它讓每個畫素都有一個色調值，應用這個方法，再由點組成網(wǎng)格，每一個點（畫素）現(xiàn)在都有用以表示它所接受的光量的二進位數(shù)據(jù)，可以顯示強弱大小，最終再整合影像輸出。第3頁/共13頁三.四種類型的CCD

因應不同種類的工作需求，業(yè)界發(fā)展出四種不同類型的CCD：Linear線性CCDInterline掃瞄CCD全景Full-FrameCCDFrame-Transfer全傳CCD第4頁/共13頁Linear線性CCDLinear線性CCD是以一維感光點構成，透過步進馬達掃瞄圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較使用2維CCD的數(shù)位相機來得慢。這型CCD大多用于平臺式掃描器之上。第5頁/共13頁Interline掃瞄CCD

Interline掃瞄型CCD的曝光步驟（STEP1.-見圖）和前面介紹的相同，所不同處在于讀取電荷的方式。InterlineCCD透過垂直傳送帶（STEP2.）從暫存矩陣中讀出訊號，再向下轉移至底部水平轉換記錄器（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)生電子信號代表一張完整的數(shù)位影像。清空暫存器后，再重新設定光電位置以便接收下一張影像。IL型CCD的優(yōu)點在于曝光后即可將電荷儲存于暫存器中，元件可以繼續(xù)拍攝下一張照片，因此速度較快，目前的反應速度以已經(jīng)可達每秒15張以上。但IL的缺點則是暫存區(qū)占據(jù)了感光點的面積，因此動態(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，由于其速度快、成本較低，因此市面上超過86％以上的數(shù)位相機都以IL型CCD為感光元件第6頁/共13頁第7頁/共13頁Full-Frame全像CCDFull-Frame全像CCD是一種架構更簡單的感光設計。有鑒于IL的缺點，F(xiàn)F改良可以利用整個感光區(qū)域（沒有暫存區(qū)的設計），有效增大感光范圍，同時也適用長時間曝光。其曝光過程和Interline相同，不過感光和電荷輸出過程是分開。因此，使用FFCCD的數(shù)位相機在傳送電荷資訊時必須完全關閉快門，以隔離鏡頭入射的光線，防止干擾。這也意味著FF必須使用機械快門（無法使用IL的電子CLOCK快門），同時也限制了FFCCD的連續(xù)拍攝能力。Full-FrameCCD大多被用在頂級的數(shù)位機背上。第8頁/共13頁Frame-Transfer全傳CCDFrame-Transfer全傳CCD的架構則是介于IL和FF之間的產(chǎn)品，它分成兩個部分上半部分是感光區(qū)，下半部則是暫時存儲區(qū)。整體來說Frame-TransferCCD非常的類似Full-FrameCCD，它的特點在于直接規(guī)劃了一個大型暫存區(qū)。一旦FTCCD運作，它可以迅速將電荷轉移到下方的暫存區(qū)中，本身則可以繼續(xù)曝光拍照。這個設計，讓FT同IL一樣可以使用電子快門，但同時也可增加感光面積和速度。FTCCD主要是由荷蘭Philips公司開發(fā)，后來技術移轉給SANYO公司發(fā)展成VPMIX技術。三洋對VPMIX的改良相當成功，使它的數(shù)位相機能兼具靜態(tài)和動畫的拍攝能力（可達30fps的拍攝速度，在動畫運用上非常出第9頁/共13頁四.富士SUPERCCD蜂窩技術從上述的文章中我們可以了解，CCD的感光點排列是影響CCD感光范圍和動態(tài)能力的關鍵。早期的CCD都是井然有序的“耕田”狀。當CCD技術到了日本富士手中，工程師開始省思CCD一定要這樣排列嗎？為了兼具IL的低成本設計，又要能兼顧FF的大感光面積，富士提出了一個跌破專家眼鏡的折衷方案SuperCCD。SUPERCCD是目前市面上唯一使用蜂巢式結構的CCD，其藉助八邊形幾何構造和間斷排列，