CCD 照相机

一种大规模集成电路工艺制作的半导体光电元件

CCD是一种大规模集成电路工艺制作的半导体光电元件，由美国贝尔实验室Boyle和Smith发明。

原理

CCD由美国贝尔实验室Boyle和Smith发明，是一种大规模集成电路工艺制作的半导体光电元件，它在半导体硅片上制有成千上万个光敏元，产生与照在它上面的光强成正比的电荷。CCD基本构成单元是MOS电容器，它以电荷为信号，通过对金属电极施加时钟脉冲信号，在半导体内部形成储存载流子的势阱。当光或电注入时，将代表信号的载流子引入势阱，再利用时钟脉冲的规律变化，使电极下的势阱作相应变化，就可以使代表输入信号的载流子在半导体表面作定向运动，再通过对电荷的收集、放大，把信号取出。现今新型的CCD产品主要有底插式和侧装式两种，其工作原理基本相同。

优点

CCD照相机具有强大的自扫描功能，图像清晰度好，可以随时捕捉图像，支持多重合并像素模式，创新的读出技术能够充分降低噪音，达到一个更高的灵敏度和转化效果，使得图像具有极高的信噪比，在医学领域得到非常广泛的应用。与传统摄像机比较，CCD相机具有体积小、可靠性高、灵敏度高、抗强光、抗震动、抗磁场、畸变小、寿命长、图像清晰、操作简便等优点。

CCD相机具有稳定的PELTIER制冷系统，真空室与透射电镜的真空系统隔离，光纤耦合具有单个电子灵敏抗临近信号干扰的功能。此外CCD相机具有强大的视频图像记录器软件功能和工作语言界面，使研究人员在观察到超微结构后，实验结果可以直接用U盘带走，省去了繁琐的暗室显影、定影、冲洗底片和照片上光等步骤，提高了实验的工作效率和图片的清晰质量，克服了人为操作时安全灯、水温、试剂浓度等因素的影响。

参数

像素大小(Pixel Size)

或称像素点或像素尺寸，是指个别感应像素的实际尺寸大小，不论是长或宽，都以μm(Micrometer)为计量单位。是指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，通常尺寸包括14μm,10μm,9μm,7.4μm,7μm,6.45μm,3.75μm等，像素尺寸越大CCD质量也越好。像素尺寸从某种程度上反映了芯片对光的响应能力，像素尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多，图像信息越强、越清晰。对于弱光成像而言，像素尺寸是芯片灵敏度的一种表征，像素尺寸越大芯片灵敏度越好、CCD成像的画质更好；在分辨率允许的情况下，选择像素尺寸大的相机，会有较大的动态范围；更大的像素尺寸，同时还会提高摄像机的感光度（感光度是指多暗的情况下，摄像机能够工作）。像素尺寸越大的CCD成像质量越好同时成本也越高。

CCD(Charge Coupled Devices)

个别光感应组件(称为Pixels)组合成矩阵或线形式的半导体装置，光学镜头把影像聚在此Sensor上，每一个Pixels累积和光成正比的电荷，然后传送读出。输出矩阵大小是感光元矩阵的一半就是interlace模式CCD，如是相同大小就是Progressive Scan CCD。

景深 (Depth of Field) ：

至近点和至远点之间的距离能聚焦清楚，受镜头焦距长及光圈大小影响。降低焦距长及光圈缩小，景深就会增加。

电子快门(Electronic Shutter)

CCD/CMOS Camera操作模式，积分时间可以缩短，不需任何机械装置被用来降低抓取快速移动物体产生的模糊现象。

暗电流(Dark Noise Current) ：

在某特定工作温度的条件下，遮蔽CCD/CMOS的感应器，使其避免任何光源的照射或感光，而经由感测组件本身产生的电荷数(Electrons)。噪声值的大小，以特定温度，每秒产生的电荷数为主要单位。

输出噪声(Readout Noise) ：

CCD/CMOS正常工作时，除了真正有效的输出讯号外，因其它因素造成而随之输出的电荷数，皆称之。

量子效益(Quantum Efficiency) ：

直接进入或投射在感测组件上的光子总数(Photons) ，与被传感器换成电荷数的比率，通常用百分比(%)来表示。

电位井容量(Fall-well Capacity)

每个图素所有容纳的电荷总数量。数目愈多，影像的动态范围(Dynamic Range)愈大；更能表现影像上，任何微小明暗度的变化。

S /N (Signal To Noise Ratio) ：

常以dB为单位表示，是正常讯号输出和电子讯号内的噪声比。

模拟数字化(Analog To Digital) ：

是CCD/CMOS摄影机输出影像讯号的格式。早期所制定的标准型的CCD/CMOS，多采用模拟讯号输出，则陆续推出内建模拟转数字(ADC)电路的数字化摄影机。摄影机所能提供的影像灰阶度，则取决于A/D转换电路的位数。譬如，8位摄影机，可提供28=256灰阶影像输出，而10位，则代表1024灰阶度表现力，依此类推。

白平衡：

白平衡是摄像机的一个极重要的概念.所谓白平衡,就是摄像机对白色物体的还原.当我们用肉眼观看这大千世界时,在不同的光线下,对相同的颜色的感觉基本是相同的,比如在早晨旭日初升时,我们看一个白色的物体,感到它是白的;而我们在夜晚昏暗的灯光下,看到的白色物体,感到它仍然是白的.这是由于人类从出生以后的成长过程中,人的大脑已经对不同光线下的物体的彩色还原有了适应性.但是,作为摄像机,可没有人眼的适应性,在不同的光线下,由于CCD/CMOS输出的不平衡性,造成摄像机彩色还原失真:具体到拍摄白色物体的时候就表现为或者偏蓝,或者偏红,从而造成整个拍摄的图像彩色失真。

制冷：

CCD工作时温度会升高，这会产生噪音，尤其是长时间曝光（若荧光拍摄等情况需要较长的曝光时间），如果把温度降低，可以减少这类噪音，所以大家看到有冷CCD。制冷方式有很多，比如装风扇、半导体制冷、水循环制冷，还有用液氮制冷的，制冷越低，降噪越好，但是成本也就越高。Tucsen二级半导体制冷CCD,可制冷至室温下-45℃。

灰阶：

一般是写的多少bit，这个值高点好些，这样在一些层次比较多或者不容易区分的图片的拍摄上会有帮助，常见的是医院血液科的血涂片拍摄：红血球非常薄而且多，经常在镜下观察时会发现有不少是有重叠的，人眼还比较好区分重叠的部分，但是换到CCD上面的话，基本需要12bit以上了，最好是14bit的。对于做灰度分析或者荧光定量分析的，灰阶还是高点好。

速度：

这个自然是越快越好，不过要注意区分：速度分为读出速度，预览速度，采集速度；读出速度高不一定预览、采集就快，因为它还受后面接口、电脑等的影响；预览速度受分辨率影响，采集速度相对好点，因为他的变动基本上就只有电脑配置高低影响了。

数据接口：

最常用的是 USB接口，1394其次，还有就是串口。

Binning：

这是提高CCD预览、采集的常见方法，支持的binning越高，速度也就能提的更高，不过会牺牲分辨率——其实它就是把几个像素当作一个像素计算，比如2X2，就是把4个像素当作一个像素。

曝光时间：

支持的时间越长，在拍摄弱光的时候会好些；至于说最小曝光时间，原理上可以侧面反应CCD的灵敏度，但是需要参考的条件比较多。

GAIN：

一个信号放大的参数，GAIN越大，所需要的曝光时间也就越短，但是相应的噪音也就会增加。

应用

含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光组件。其光效率可达70%（能捕捉到70%的入射光），优于传统软片的2%，因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

图像经透镜成像于电容数组表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张图像，或从中截取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电信号传入放大器，转变成电位。如此周著复始，直到整个图像都转成电位，取样并数字化之后存入存储器。存储的图像可以传送到打印机、存储设备或显示屏。经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视设备，而各大型天文台亦不断研发高像数CCD以拍摄极高解像之天体照片。

CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

一般的CCD大多能感应红外线，所以派生出红外线图像、夜视设备、零照度（或趋近零照度）摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容数组上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。

温度噪声、暗电流（dark current）和宇宙辐射都会影响CCD表面的像素。天文学家利用快门的开阖，让CCD多次曝光，取其平均值以缓解干扰效应。为去除背景噪声，要先在快门关闭时取图像信号的平均值，即为“暗框”（dark frame）。然后打开快门，取得图像后减去暗框的值，再滤除系统噪声（暗点和亮点等等），得到更清晰的细节。

天文摄影所用的冷却CCD照相机必须以接环固定在成像位置，防止外来光线或震动影响；同时亦因为大多数图像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的图像，天文学家利用“自动导星”技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同轴CCD监测任何图像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之CCD相机上。以光学设备把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星设备，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外设备导星。

趋势

如今利用互补金属氧化物半导体的制程，已能制造实用的主动像素传感器（Active Pixel Sensor）。CMOS是所有硅芯片制作的主流技术，CMOS感光组件不但造价低廉，也能将信号处理电路集成在同一部设备上。后一特性有助于滤除背景噪声，因为CMOS比CCD更容易受噪声干扰。这部份的困扰现时已渐渐解决，这要归功于使用个别像素的低级放大器取代用于整片CCD数组的单一高级放大器。CMOS感光组件跟CCD相比，耗电量较低，数据传输亦较快。于高分辨率数字摄影机与数码相机，尤其是片幅规格较大的数码单反相机更常见到CMOS的应用，另外消费型数码相机亦开始使用背面照射式CMOS，使成像得以提升，背面照射式CMOS的出现使CCD的占有率不断下降，但是数字中片幅产品、高级相片扫描仪以及军方器材仍然为CCD所垄断。

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