CCD知识简介

1. CCD介绍 

 图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像

由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程，我们常用的是CCD和COMS。

 2. CCD工作原理

由上面两图可看出：

CMOS和CCD最大的区别就是CMOS的

电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的

3. CCD与CMOS

(1) 由于上面所说的结构，CCD的电路更改就更方便。而由于CMOS的过分集成，电路更改就不方便。但可靠性高。

(2) CMOS功耗小。

(3) CMOS噪声大。

(4) CMOS灵敏度差。

(5) CMOS速度快，由结构决定。

(6) 成本CMOS便宜些。

从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用CMOS芯片。

光子到电压的转化要经历如下过程：

A.有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为相应数量的电荷

B.这些电荷可以被储存起来

C.电荷可以被有秩序地转移出感光区域

D. 电荷都要经过放大器转化为电压量

CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容量，简称MOS。

当有光子射到CCD的光电转换层时，CCD表面就会产生电荷。

因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。

这一过程存在着以下问题：

当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出，溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电荷的电量就不能如实反映原物。也就是常说的blooming。

要避免这种情况发生的方法：

A.把桶做大些

B.让雨早点停

C.间歇地，把装满水的桶倒出一些

D.做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里

对应的方法：

A.增大单位像素尺寸

B.缩短曝光时间

C.间歇开关时钟电压

D.溢出沟道和溢出门

缺点：对于暗的部分曝光不足，会降低速度,制作复杂，且还有缺陷，所以，增大像素尺寸是最完善的做法。

当一个CCD芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向转移出CCD感光区域。为下一次感光放空间。

4. 电荷转移

CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称引起的，电压高的地方，就会产生相对的势阱，电荷会聚集在势阱里。当高电压的位置按照一定方向转移时，势阱的位置也会随之转移，如此，电荷就会随着移动。

把CCD的电极分为几组，相同组的电极施加相同的电压来实现势阱的移动。按照分组情况，可分为：2相，3相和4相CCD。

2相CCD势阱与势垒依次间隔一个电极的宽度

而4相CCD，其势阱与势垒各占据2个电极的宽度阻隔相邻像素间电荷的溢出能力更强，适用于高速时钟。

5. Scan & Transfer

根据阵列排布方式的不同，CCD成像器件分为线阵列和面阵列两大类。

线阵CCD的构造相对简单，只是单行的感光和转移。

而面阵芯片复杂一些。下面是一些常见的面阵排列方式。

阵列的每一个像素都感光，传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，串行寄存器向阵列的出口转移阵列的一半像素感光，另一半被遮住，传输时，首先感光部分快速向不感光部分的对应位置转移。之后每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，感光部分的空间由于没有了电荷可以继续感光。

对比一下Full frame  和 Frame transfer 两种传输模式。

Frame transfer 的优势在于，利用了像素间传输快的特点，从而忽略这一时间，使得，在上一帧电荷转移出芯片的同时可以采集下一帧图像。同时，这种模式，可以不加任何快门工作。但这样做，毕竟还是会在很短的一段时间里，使得传输的电荷还在接收新感光得到的电荷。从而使图像出现一些类似拖尾的光斑，这就是常说的SMEAR现象。要避免这种现象，最好是给SENSOR加上快门。

Full frame  由于sensor始终曝光，所以在传输时，快门遮挡是必须的。

那么，对于这种芯片的缺点，既不能充分利用所有入射光，也有一些新的技术可以弥补，比如，微透镜技术。

微型透镜技术的特点在于：
微透镜阵列覆盖CCD的全部表面，它能将入射的全部光线会聚在光电二极管上，这样，入射光将得到接近100％的利用；
使用微透镜技术可缩小光电二极管的尺寸，从而提高图像传感器的灵敏度；
光电二极管的尺寸缩小了，噪声也随着降低了；
光电二极管的尺寸缩小，可以有更大空间用于布置电子元器件和传输沟道等，促使CCD整体性能的提高。

此外，在CCD的制作过程中，还有一些其他非常有用的技术。

Binning 的作用，在于，把相临几个像素所积累的电荷累加起来。作为一个电荷进行转换。这样做的效果，相当于把几个像素拼成了一个大像素使用。优点，速度快。缺点，分辨率降低。

Binning  2*2

Vertical Binning

上面所述，都是按照，单行，单列的模式进行电荷传输的。其实，如果单行的像素太多，会影响传输速度。这时可以使用多沟道传输。

彩色形成，需要同一点的R/G/B三原色的数值。

1.用空间叠放的三片CCD，分别感R，G，B光，并在感光后过滤掉相应色光。

2.利用棱镜，将光线折射成三部分。在R，G，B三束光线的方向上分别帖上三片感光片，各自感光。

3.利用BAYER滤光片，让相临四个像素分别只能接收R，G，G，B光。每个像素输出的信息只是相应色光的灰度值。之后，通过软件合成为彩色。这样，每个像素的彩色信息其实是不独立的，依赖于相临像素的信息。

4.SUPER CCD ，一个蜂窝型的CCD感光片，每个像素被使用3次，相当于增大了有效像素数量。

CCD的重要特性和技术对于采集图像的影响。

A.有效像素多，拍摄的图像精度更高

B.帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致

C.CCD的芯片，图像质量要比CMOS的好一些，但速度慢

D.像素尺寸大，能够更多地接收光子，不容易饱和

E.对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都感光的芯片,如Full frame 和 Frame transfer

F.使用多通道传输的芯片，能提高传输速度

G.抗光晕技术，能够防止过度曝光对图像的影响

H.使用棱镜技术的彩色CCD芯片，色彩更真实

I.光谱响应范围宽，可以对多种类的光敏感