感光元件是数码相机的核心

1、感光元件是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相机的发展道路，可以说就是感光元件的发展道路。数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光元件，感光元件就是数码相机的不用更换的“胶卷”而且是与相机一体，所以称为是数码相机的心脏很确切。 目录隐藏简介 工作原理 区别 影响因素 发展历史 1. 感光原理简介 工作原理 区别 影响因素 发展历史 1. 感光原理 编辑本段简介提到数码相机，不得不说到就是数码相机的心脏感光元件。与传统相机相比，

2、传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光元件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相机的发展道路，可以说就是感光器的发展道路。目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。 编辑本段工作原理电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输

3、给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philps、Kod

4、ak、Matsushita、Fujifilm和Sharp，大半是日本厂商。 互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。 编辑本段区别

5、两种感光元件的不同之处 由两种感光元件的工作原理可以看出，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。同时，这几年来，CCD从30万像素开始，一直发展到现在的600万，像素的提高已经到了一个极限。 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。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至

6、冠以“数码相机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。 CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS影像传感器只需一组电源，CCD却需三或四组电源，由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同，要缩小CCD套件的体积很

7、困难。但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生，未来CMOS影像传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命，往后技术的发展是重要关键。 编辑本段影响因素影响感光元件的因素 对于数码相机来说，影像感光元件成像的因素主要有两个方面：一是感光元件的面积；二是感光元件的色彩深度。 感光元件面积越大，成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的干扰也小，成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展，感光元件的面积也只能是越来越小。 除了面积之外，感光元件还有一个重要指标，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光元件一般是

8、24位的，高档点的采样时是30位，而记录时仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是36位的，据说已经有了48位的CCD。对于24位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有28=256级，每一种原色用一个8位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x256x256约16,77万种。对于36位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有212=4096级，每一种原色用一个12位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。举例来说，如果某一被摄体，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24位感光元件的数码相机来拍摄的话，如果按低光部位曝光，则凡是

9、亮度高于256倍的部位，均曝光过度，层次损失，形成亮斑，如果按高光部位来曝光，则某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用了36位感光元件的专业数码相机，就不会有这样的问题。 编辑本段发展历史感光元件的发展（CCD、CMOS、Exmor R CMOS） CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代，CCD影像传感器虽然有缺陷，由于不断的研究终于克服了困难，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的CCD。到了90年代制造出百万像素之高分辨率CCD，此时CCD的发展更是突飞猛进，算一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。进入90年代中期后，CCD技术得到了迅猛发展，同时，CCD

10、的单位面积也越来越小。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量，SONY与1989年开发出了SUPER HAD CCD，这种新的感光元件是在CCD面积减小的情况下，依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828所应用）。而富士数码相机则采用了超级CCD（Super CCD）、Super CCD SR。 对于CMOS来说，具有便于大规模生产，且速度快、成本较低，将是数字相机关键器件的发展方向。目前，在CANON等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推陈出新，高动态范围CM

11、OS器件已经出现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要，使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比，CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件，CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势，并有希望在不久的将来成为主流的感光器。 Exmor R CMOS背面照明技术感光元件，改善了传统CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采用了和普通方法相反、向没有布线层的一面照射光线的背面照射技术，由于不受金属线路和晶体管的阻碍，开口率（光电转换部分在一个

12、像素中所占的面积比例）可提高至近100%。与其以往1.75m间隔的表面照射产品相比，背面照射产品在灵敏度（S/N）上具有很大优势。索尼Cyber-shot新品WX1和TX1，首次在数码相机领域采用了一种全新的Exmor R CMOS传感器。这种Exmor R CMOS传感器的感光能力是过去同尺寸传感器的两倍，因此在光线不足的环境下拍摄，能够大幅降低噪点，获得更清晰的图像。而在此后的实际测试中也表明，这两款Cyber-shot数码相机不仅提供了最高ISO 3200的高感光度，并且噪点抑制能力相当优秀。同时，这两款数码相机还提供了手持夜景拍摄、全景扫描等一系列先进功能也是对新一代影像传感器的技术延

13、伸。传统的CMOS传感器每个像素点都要搭配一个对应的A/D转换器以及对应的放大电路，因此，这部分电路会占用更多的像素面积，直接导致光电二极管实际感光的面积变小，感光能力变弱。CCD的单个像素点不需要A/D转换器和放大电路，光电二极管能获得更大的实际感光面积，开口率更大，因此在小尺寸影像传感器领域，目前CCD仍占据一定优势，而在大尺寸影像传感器领域，由于单个像素点的面积大，A/D转换器和放大电路占用的面积只是整个像素的很小一部 感光原理分，影响不大，因此CMOS传感器也得到了广泛的应用。 而Exmor R CMOS将光电二极管“放置”在了影像传感器芯片的最上层，把A/D转换器及放大电路挪到了影像

14、传感器芯片的“背面”，而不是像传统CMOS传感器一样，A/D转换器和放大电路位于光电二极管的上层，“挡住了”一部分光线。这样一来，通过微透镜和色彩滤镜进来的光线就可以最大限度地被光电二极管利用，开口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像传感器，也能获得优良的高感光度能力。 相比较之下，传统的表面照射型CMOS传感器的光电二极管位于整个芯片的最下层，而A/D转换器和放大电路位于光电二极管上层，因此光电二极管离透镜的距离更远，光线更容易损失。同时，这些线路连接层还会阻塞从色彩滤镜到达光电二极管的光路，因此直接导致实际能够感光更少。而Exmor R背照式CMOS传感器解决了这样的问题。编辑本段CMOS

15、简介 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器（Active Pixel

16、Sensor CMOS）3。 编辑本段CMOS与CCD的区别CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。 CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。 造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送

17、距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据1。 由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括： 1. 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。1 2. 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之

18、外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。1 3. 分辨率差异：CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610，2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，

19、象素尺寸为4.25m，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。1 4. 噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。1 5. 功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常

20、需要达到1218V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW 以上。1 综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，

21、CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品。 编辑本段主要CMOS厂商投入CMOS研发、生产的厂商较多，美国有30多家，欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP)，其市场占有率51、ST(VLSI Vision)占16、Omni Vision占13、现代占8、Photobit约占5，这五家合计市占率达93。 SonySony是全球CCD传感器第一大厂，也是第一家投入12英寸晶圆、推出600万象素CCD的公司，Sony约有3040%的

22、CCD传感器供自有品牌产品使用，其它则卖给Canon、Sanyo、Casio、以及台湾的新虹、普利尔、诠讯(与台湾佳能合并)等厂商。 Sony的产品技术蓝图显示，2003年除了800万象素的ICX 456外，并无其它微缩工艺的产品问世。产品尺寸将大致保持现有水平，取而代之的是强化摄影功能与支持progressive scan(连续式扫描)，例如500万象素的ICX455/465、330万象素的ICX451/481、以及210万象素的ICX461等，令高端产品也能达到30fps以上的数据传送速率。 高端产品的大部分市场仍被Sony占据，再加上市场仍处于供不应求的局面，公司并未急于做降低成本的动作

23、，不过，一旦Sony最先进的工艺(象素尺寸2.62.8mm)达到成熟阶段(成品率超过50%)，该公司势必近一步将此工艺应用到其它产品上(目前仍只有1/1.8英寸、 500万象素产品使用此工艺)，届时可能会有1/2.7英寸、400万象素产品问世。 OmniVisionOmniVision成立于1995年(以下简称OV)，2002年6月领先其它同业率先推出210万象素的OV2610震惊市场，虽然目前采用此传感器量产的产品并不多，但这已说明CMOS传感器可以开始进入原本属于CCD传感器的中高端数码相机市场； OV的数据显示，目前已有天瀚、明、鸿友等台湾商家开始采用该公司的OV2610。展望2003年

24、，OV将在1季度2季度之间推出330万象素、1/2英寸的产品，采TSMC 0.18mm工艺生产，再次拓展CMOS传感器的应用范围。在移动电话市场上，CMOS模组的摄相模块已经成为移动通讯应用的最大量产品。 在低功耗产品方面，OV也在2002年12峦瞥隽薕V7640，可以在2.5V的环境下运行，为目前VGA产品中功耗最低的芯片。而在2003 年新规划的产品方面，OV计划在下半年推出130万象素、1/4英寸，以及VGA、1/7英寸的产品，希望在CCD厂家推出低功耗的130万素产品之前，先行抢占市场先机。 AgilentAgilent主要的产品为第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第

25、二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要应用在数码相机 、行动电话、PDA、PC Camera等新兴的资讯家电产品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech与Microsoft这两家公司策略联盟，打入了光学鼠标产品领域，但是这是非常低阶的CMOS产品，而且不是为了捕捉影像 ，所以在做影像感测器的全球统计时并未将此数量一并加入，但是此举可看出Agilent以CMOS技术为基础进军光学元件的规划意图。 PhotobitPhotobit在2000年获得较大成功。2001年Photobit率先研发出PB-0330产品型号的CMOS图像传感器，此产品特色具备单一晶

26、片逻辑转数位的变频器，它是第二代1/4寸的VGA（640 x 480），同时也推出PB-0111产品型号的CMOS影像感测器，是第二代1/5寸的CIF（352 x 288）。Photobit推出这两种产品主要针对数码相机和PC Camera这些近年来蓬勃发展的数位化产品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行动电话市场上有所区隔，其推出CIF（352 x 288）和VGA（640 x 480）这两种不同解析程度的影像感测器，行销范围意图含盖低阶和中高阶市场。 其它公司最具特色的是Sanyo，该公司致力于改善CCD 传感器的功耗，以相机电话为主要应用目标，之前J-Phone

27、率先推出的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF级CCD传感器，Sharp、Toshiba等手机厂家也计划在02年4季度03年1季度之间陆续引入 Sanyo的VGA产品。Matsushita、Sharp的产品规划与Sony相差不多，主要差异在于Matsushita准备推出更小的400万象素 (1/2.7英寸)与130万象素(1/4英寸)产品。 编辑本段发展前景专家们认为，21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长，在未来的几年时间内，在130 万像素至200万像素之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。以小

28、型化和低功耗CMOS图像传感器为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流，上述领域将为图像传感器市场带来巨大发展2。 编辑本段业界动态2009年8月28日，索尼秋季数码影像新品发布会在北京隆重举行，索尼宣布在三条产品线推出共十款数码影像新品。其中 DSC-TX1和DSC-WX1首次应用了新型影像传感器Exmor R CMOS影像传感器，它采用先进的背照射技术，其对光线的灵敏度比传统的CMOS影像传感器提高了约2倍，大幅提升了拍摄画质，得到明亮画面的同时更好地降噪，使得在低照度条件下仍然可以获得细节丰富的照片，造就卓越的夜间拍摄性能。该传感器具备1020万有效像素，支持从ISO100ISO3200的

29、感光度范围，并支持720p的高画质动态影像视频拍摄。性能强大的Exmor R MOS配合BIONZ影像处理器，可以快速准确地处理海量信息，使DSC TX1和WX1具备了手持夜景模式、全景拍摄、动作防抖和每秒最高约10张。 三星电子公司提高CMOS传感器灵敏度的背面照射（BSI：backside illumination）技术达到了实用化水平，2010年将批量生产产品。三家大型CMOS传感器公司均将在2010年开始量产采用背面照射技术的 CMOS传感器（BSI型CMOS传感器）。三星在工艺技术方面将采用适于降低成本的方法。之所以着手从事BSI技术，是因为通过提高灵敏度能够维持相同的灵敏度同时缩小

30、像素间距。据该公司估算，1.4m间距的BSI型能够获得与基于现有技术的FSI（Front Side Illumination）型1.75m间距产品相同的画质。同一像素间距，BSI型的灵敏度可以比FIS型高30。三星为在今后量产1.1m间距产品等间距更小的元件，将增加BSI型的比例。该公司计划把2010年首批量产的BSI型CMOS传感器做成支持1460万像素和30帧/秒的元件。预计将配备于数码相机、数码摄像机及高端手机等设备上4。编辑本段CCDCCD发展史CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯

31、（George E. Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷气泡元件”（Charge "Bubble" Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。到了70年代，贝尔实验室的研究员已引能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semic

32、onductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。 发明者荣誉2006年元月，波义耳和史密斯获颁电机电子工程师学会（IEEE）颁发的Charles Stark Draper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。 北京时间2009年10月6日，2009年诺贝尔物理学奖揭晓，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予一名中国香港科学家高锟(Charles K. Kao)和两名科学家维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史

33、密斯（George E. Smith）。科学家Charles K. Kao 因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就” 而获奖，科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路电荷藕合器件图像传感器CCD” 获此殊荣。 编辑本段CCD简介CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。 CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排

34、列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Lucky imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。 传真机所用的线性CCDCCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的

35、耗电量，而后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，民用产品。 编辑本段CCD功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。 CCD工作原理CCD从功能上可分为线阵CCD和

36、面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像(线阵CCD见图1-3所示)。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。 编辑本段CCD的应用四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得

37、了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。 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元件。其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光)，优于传统菲林（底片）的2%，因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。 传

38、真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，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则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。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，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周著复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。 在数码相机领域，CCD的应用更是异彩纷呈。一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（ Bayer filter ）加装在CCD上。每四

39、个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。 用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。目前，超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物品。 经冷冻的CCD同

40、时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，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，所以衍生出红外线影像、夜视装置、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幅射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备C

41、CD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阵列上的暗电流，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影像讯号的平均值，即为"暗框"(dark frame)。然后打开快门，取得影像后减去暗框的值，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

42、外来光线或震动影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像，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监测任何影像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之CCD相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星装置，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装置导星。 一组用于紫外线影像处理用的CCD编辑本段CCD为什么能看到红外线?其实在CCD中，本来就对红外光有感应,能看到红外线，例如：使用黑白摄像机从380nm-645nm 穿透率是约93% ,刚好就是可见光的范围(紫-

43、靛-蓝-绿-黄-橙-红),就是彩虹的颜色嘛! 600多nm是红色光,在它往右以”外”,就叫”红外线”,是”红色以外的光” 不是红色的光,因为眼睛已经看不到了,再来,380nm左右我们眼睛看到的是紫色,在380nm往左以”外”,就叫”紫外线”. 编辑本段CCD彩色数码相机一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayer filter）加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。 用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光

44、，由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。 截至2005年，超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。 CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许

45、多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。 衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及尺寸是重要的指标。像素数是指上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上的像素数

46、量应该越多越好。但像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。 单摄像机是指摄像机里只有一片并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换，其中色度信号是用上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。由于一片同时完成亮度信号和色度信号的转换，因此难免两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平的要求。为了解决这个问题，便出现了摄像机。，顾名思义，就是一台摄像机使用了片。我们知道，光线如果通过一种特殊的棱镜后，会被分为红，绿，蓝三种颜色，而这三种颜色就是

47、我们电视使用的三基色，通过这三基色，就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。如果分别用一片接受每一种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成了一个系统。 和单相比，由于分别用个转换红，绿，蓝信号，拍摄出来的图像从彩色还原上要比单来的自然，亮度以及清晰度也比单好。但由于使用了三片，摄像机的价格要比单贵很多。 四色CCD是索尼公司在2003年推出的一种CCD新技术。四色即红 绿 蓝 品红（RGBE）相对与传统的三色（红 绿 蓝），四色CCD的色彩还原错误率进一步降低。因而使色彩还原更逼真。首款采用四色CCD的数码相机是SONY DSCF828 一款面阵CCD数码相机规格表

48、中的CCD一栏经常写着“1/2.7英寸CCD”等。这里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，实际上就是CCD对角线的长度。 现有的数码相机一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。CCD是受光元件(像素)的集合体，接收透过镜头的光并将其转换为电信号。在像素数一样的情况下，CCD尺寸越大单位像素就越大。这样，单位像素可以收集更多的光线，因此，理论上可以说有利于提高画质。 但是，数码相机画质的好坏不仅是由CCD决定的。镜头以及通过CCD输出的电信号形成图像的电路的性能等也能够影响到相机的画质。所谓的“大尺寸CCD高画质”是不正确的。例如，虽然1/2.7英寸比1/1.8英

49、寸尺寸小，但配备1/2.7英寸CCD的数码相机并没有受到画质不好的批评。 现在，袖珍数码相机日趋小巧轻便，出于设计上的考虑，其中大多采用1/2.7英寸的小型CCD。 编辑本段CCD数码摄像机CCD摄像机的选择和分类CCD结构及工作原理CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号寄存器、信号放大器、数摸转换器等项目，将分别叙述如下； 1. 感光二极管（Photodiode） 2. 并行信号寄存器（Shift Register）：用于暂时储存感光后产生的电荷。 3. 并行信号寄存器（Transfer Register）：用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大。 4. 信号放大器：用

50、于放大微弱电信号。 5. 数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号。 CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层，将分别叙述如下； 1. 微型镜头 微型镜头为CCD的第一层，我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。 2. 分色滤色片 分色滤色片为CCD的第二层，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一

51、下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。 原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的

52、分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上 3. 感光层 感光层为CCD的第三层，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。 CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生产的芯片，现在韩国三星等也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。 因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。在购买时，可以采取如下方法检测：接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花

53、大不大，这些是检测CCD芯片最简单直接的方法，而且不需要其它专用仪器。然后可以打开光圈，看一个静物，如果是彩色摄像头，最好摄取一个色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。好的CCD可以很好的还原景物的色彩，使物体看起来清晰自然；而残次品的图像就会有偏色现象，即使面对一张白纸，图像也会显示蓝色或红色。个别CCD由于生产车间的灰尘，CCD靶面上会有杂质，在一般情况下，杂质不会影响图像，但在弱光或显微摄像时，细小的灰尘也会造成不良的后果，如果用于此类工作，一定要仔细挑选。 1、依成像色彩划分 彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。 黑白摄像机：适用于光

54、线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用黑白摄像机。 2、依分辨率灵敏度等划分 影像像素在38万以下的为一般型，其中尤以25万像素（512*492）、分辨率为400线的产品最普遍。 影像像素在38万以上的高分辨率型。 3、按CCD靶面大小划分 CCD芯片已经开发出多种尺寸： 目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”。在购买摄像头时，特别是对摄像角度有比较严格要求的时候，CCD靶面的大小，CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。 4、按扫描制式划分 PAL制、NTSC制。 中国采用隔行扫描（PAL）制式（黑白为CCIR），标准为625行，5

55、0场，只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。另外，日本为NTSC制式，525行，60场（黑白为EIA）。 5、依供电电源划分 110VAC（NTSC制式多属此类）； 220VAC 24VAC 12VDC 9VDC（微型摄像机多属此类）。 6、按同步方式划分 内同步：用摄像机内同步信号发生电路产生的同步信号来完成操作。 外同步：使用一个外同步信号发生器，将同步信号送入摄像机的外同步输入端。 功率同步（线性锁定，line lock）：用摄像机AC电源完成垂直推动同步。 外VD同步：将摄像机信号电缆上的VD同步脉冲输入完成外VD同步。 多台摄像机外同步：对多台摄像机固定外同步，使每一台摄像机可

56、以在同样的条件下作业，因各摄像机同步，这样即使其中一台摄像机转换到其他景物，同步摄像机的画面亦不会失真。 7、按照度划分，CCD又分为： 普通型 正常工作所需照度13LUX 月光型 正常工作所需照度0.1LUX左右 星光型 正常工作所需照度0.01LUX以下 红外型 采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像 CCD彩色摄像机的主要技术指标CCD尺寸，亦即摄像机靶面。原多为1/2英寸，现在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。 CCD像素，是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。CCD是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素

57、越多，图像越清晰。现在市场上大多以25万和38万像素为划界，38万像素以上者为高清晰度摄像机。 水平分辨率。彩色摄像机的典型分辨率是在320到500电视线之间，主要有330线、380线、420线、460线、500线等不同档次。分辨率是用电视线（简称线TV LINES）来表示的，彩色摄像头的分辨率在330500线之间。分辨率与CCD和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。 频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。 最小照度，也称为灵敏度。是CCD对环境光线的敏感程度，或者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯（LUX），数值越小，表示需要的光线越少，摄像头也越灵敏。月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件，23lux属一般照度