CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像傳感器，也叫圖像控制器。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉(zhuǎn)化為電信號。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把光信號轉(zhuǎn)換成電荷信號。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應光線，并將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號。

　　CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現(xiàn)。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩(wěn)定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；4.響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應用超大規(guī)模集成電路工藝技術生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學方法測量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。

　　CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD芯片內(nèi)部結(jié)構決定，結(jié)構相異的CCD可滿足不同場合的使用要求。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是MOS電容或光敏二極管結(jié)構，生產(chǎn)工藝相對較簡單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現(xiàn)實時控制，但獲取信息量小，不能處理復雜的圖像（線陣CCD如右圖所示）。面陣CCD的結(jié)構要復雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個方陣，并以一定的形式連接成一個器件，獲取信息量大，能處理復雜的圖像。

　　CCD工作原理

　　CCD的特點

　　1、高解析度（HighResolution）：像點的大小為μm級，可感測及識別精細物體，提高影像品質(zhì)。從早期1寸、

　　1/2寸、2/3寸、1/4寸到現(xiàn)在的1/9寸，像素數(shù)目已從初期的10多萬增加到千萬像素，以后還有繼續(xù)增加的趨勢。

　　2、低躁聲（LowNoise）高敏感度：CCD具有很低的讀出噪聲和暗電流噪聲，因此有比較高的信噪比（SNR），同時具有高敏感度0.0003～0.0005LUX甚至0LUX低光度的入射光也能檢測到，其信號不會被噪聲掩蓋，所以CCD的應用基本不受氣候的限制；

　　3、動態(tài)范圍廣（HighDynamicRange）：通過

　　數(shù)字處理的CCD信號，其動態(tài)范圍可達到400%，專業(yè)級可達到600%，可同時適用于強光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現(xiàn)象；

　　4、良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強度和輸出信號大小成良好的正比關系，能很好地反映被攝圖像的細節(jié)層次，降低信號補償處理成本；

　　5、光子轉(zhuǎn)換效率高（HighQuantumEfficiency）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影像增強管及投光器，即使在黑夜遠處的景物仍然還可以拍攝到；

　　6、大面積感光（LargeFieldofView）：利用半導體技術已可制造大面積的CCD晶片，目前與傳統(tǒng)膠片尺寸相當?shù)?5mm的CCD已經(jīng)開始應用在數(shù)碼相機中，成為取代專業(yè)光學相機的關鍵元件；

　　7、光譜響應廣（BroadSpectralResponse）：從0.4～1.1μm，能檢測很寬波長范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴大系統(tǒng)應用領域；當然根據(jù)不同的應用場合和要求，需用濾色片或復合濾色片；

　　8、低影像失真（LowImageDistortion）：使用CCD感測器，其圖處理不會有失真的情形，使原物體表面信息忠實地反應出來；

　　9、體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，應用廣泛

　　10、低耗能，不受強電磁場影響；

　　11、電荷傳輸效率佳：該效率系數(shù)影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊；

　　12、可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。有些燒壞的CCD像素，經(jīng)過一段時間的帶電工作后，能自我恢復。

　　CCD主要生產(chǎn)廠商：

　　CCD產(chǎn)業(yè)前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5％的市場份額，在技術發(fā)展方面，主要廠商應為索尼、飛利普，NEC和柯達公司。

　　CCD的工作原理

　　1、CCD（ChargeCoupledDevice）意即電荷耦合器件，是一種特殊的半導體?，F(xiàn)在都習慣用CCD當作圖像傳感器的代名詞?，F(xiàn)在的CCD圖像傳感器由三層組成：第一層：微透鏡頭；第二層：分色鏡片；第三層：感光、儲存、轉(zhuǎn)移電荷（CCD）層。如下圖：

　　2、CCD工作的基本原理：CCD的感光面是若干個獨立光刻單元的集合，它能存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸，并輸出電信號。下圖為行間轉(zhuǎn)移CCD（IT:InterlineTransfer）的工

　　作原理圖：

　　3、CCD的物理結(jié)構，CCD有表面（溝道）CCD（SCCD）和埋溝CCD（BCCD）兩種基本類型。首先將一塊半導體基板通過光刻劃分成行×列的矩陣狀，示意如下圖示（4×8=32個像素單元）：

　　每個單元為一個像素單元，在每個像素單元里，制作出一個光感區(qū)（光感二極管）、電荷儲存區(qū)、電荷轉(zhuǎn)移區(qū)和益漏溝槽、電極等。如下圖簡示：

　　從上面的示意圖（正面圖）可以看出，每一個單元對應一個像素，內(nèi)含一個光感二極管和與其一起工作的開關場效應管，轉(zhuǎn)移儲存器，像素之間還有益流溝和轉(zhuǎn)移珊等，因此感光面約占每個像素面積的1/2左右的面積，增大感光面積很重要，因為感光面積越大，光感二極管采集的光就越多，成像質(zhì)量就越高，但是，感光區(qū)不能把面向光線射入處都做成有效感光部份，真正能感光部分的面積只是感光區(qū)面向光線射入處部份面的60%-90%，這就是所謂的開口率。但每個像素點的面積有限，目前解決的的辦法是在每個感光區(qū)前面加一個光學透鏡（索尼最先想出的解決辦法），以增加受光面積，這就是CCD上的第一層微鏡頭，這樣感光面積就由微鏡片來決定了，效果非常好。

　　4、三種典型圖像CCD的電荷轉(zhuǎn)移方式結(jié)構示意圖

　　5、下面以行間轉(zhuǎn)移型（IT:InterlineTransfer）CCD

　　的工作流程，說明CCD的工作原理。

　　CCD結(jié)構如圖下所示，包含感光二極管（Photo-diode）、垂直寄存器、行信號輸出寄存器、控制柵、電荷檢測、數(shù)摸轉(zhuǎn)換器放大器等單元，其工作流程敘述如下：

　　行場間轉(zhuǎn)移型（IT:Interline

　　Transfer）CCD的工作流程圖

　　下面是一個面CCD圖像傳感器，現(xiàn)在說明其從時間順序上的工作過程：

　　1、在場信號的正掃描期間，感光區(qū)的感光二極管將其所受光的強度轉(zhuǎn)換成電子并儲存在感光區(qū)進行積累；

　　2、在場掃描的逆掃描期（場消隱期），轉(zhuǎn)移控制柵從低電位轉(zhuǎn)成高電位，開通感光區(qū)與垂直儲存區(qū)（CCD），使感光區(qū)儲存的電荷轉(zhuǎn)移到垂直儲存區(qū)，轉(zhuǎn)移完成后，轉(zhuǎn)移控制柵電位變成低電位，結(jié)束電荷轉(zhuǎn)移，這個過程在逆掃描期（場消隱期）內(nèi)完成；

　　3、在場的正掃描期間，儲存在垂直存儲單元中的電荷，在Vф1、

　　Vф2、Vф3、Vф4脈沖時序電壓作用下，依次將其儲存的電荷向下轉(zhuǎn)移到水平存儲單元中，每個轉(zhuǎn)移過程僅在每個行掃描的逆掃描期間內(nèi)完成，且每個垂直儲存單元在行逆程掃描期只轉(zhuǎn)移一個像素的電荷，這樣就保證每次轉(zhuǎn)移后，水平輸出CCD內(nèi)僅存有一行像素；

　　4、在行掃描的正掃期間，在Hф1、Hф2時序脈沖電壓的作用下，將已轉(zhuǎn)移到水平存儲單元的電荷依次向左轉(zhuǎn)移，并檢測輸出（一行圖像的掃描信號），完成一行輸出后，水平存儲單元內(nèi)的儲存電荷全部轉(zhuǎn)移出去，水平存儲單元清空，等待下次從垂直存儲單元轉(zhuǎn)

　　移電荷；在場正掃描期內(nèi)，完成一幅圖像的轉(zhuǎn)移輸出。

　　彩色CCD的工作原理

　　CCD的像素感光特性只對光的強弱有較好的正比關系，并且感光范圍超過可見光范圍，但CCD不能識別光的顏色，只能識別光的強弱，所以CCD是色盲，只能反映出圖像的黑白圖像（灰度級），如何識別彩色圖像？

　　1、三基色方案的工作原理

　　根據(jù)三基色原理，將一幅圖像分離出組成該圖像的三基色圖像紅（R），綠（G），藍（B）的三幅單色圖像（當然也可以分離成其圖像的三補色的單色圖像），用三塊CCD

　　分別對其三基色圖像進行獨立感光，根據(jù)需要，再將其三基色圖像信號合成為全彩色圖像信息信號進行處理或輸出，這就是三CCD成像原理，如下圖所示：

　　這種工作方式的優(yōu)點是：清晰度高，色彩還原好，后續(xù)處理方便。缺點是：代價高，三塊CCD同時工作并調(diào)試好才出廠；維修代價高，因為一般維修，不能對三塊CCD進行進行光學重合調(diào)整，即使其中一塊CCD壞了，也要三塊CCD同時更換；光路設計要求高，在光通路上，要設有三基色分光鏡，將全色圖像分離出R，G，B三基色圖像分別對應三塊CCD，且要求三塊CCD的圖像必須在物理視覺上重合，生產(chǎn)廠家必須將三塊CCD和分色鏡做在一起，所以生產(chǎn)成本較高。

　　2、彩色單CCD的工作原理

　　不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋RGB（紅綠藍）三色濾光片，以1：2：1的構成（如圖示）

　　即由四個像點構成一個彩色像素（即紅藍濾光片分別覆蓋一個像點，剩下的兩個像點都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術則將其中的一個綠色濾光片換為翡翠綠色（英文Emerald，有些媒體稱為E通道），由此組成新的R、G、B、E四色方案。上面方案處理彩色圖像時，其清晰度只有單色CCD的1/4，為了彌補這

　　種損失，在CCD輸出后，通過計算，來恢復這一組（四個像素）像素每個像素的RGB信號，從而提高圖像的清晰度。

　　計算方法和恢復方法，每家公司的算法也不相同，同一幅圖像，通過不同的恢復方法（算法）得出的恢復圖像，也有差別，比如有的圖像會偏黃，有的會偏紅，甚至對某種特定的顏色會產(chǎn)生錯誤，比如分紅色被恢復成紫色，總之不管其算法如何，都不可能完全恢復原始圖像信息，另外由于三基色的色域小于自然色域，所以，即使通過最完美的算法，其恢復后的圖像也要產(chǎn)生色彩失真，只是盡量接近原始圖像而已，另外，為何有的算法（也稱彩色矩陣）比較好，而其它公司為何不采用？這是因為每家開發(fā)的算法都申請了版權，別的公司必須付費后，才能使用，當然每家開發(fā)的算法，也會具有自己的特點，同時也能表現(xiàn)自己公司的開發(fā)能力吧

　　高清攝像機CCD技術特點

　　CCD 像素空間偏置 DSP 圖像分辨力

　　當前，電視節(jié)目的制作領域正在快速地由標清向高清過渡，近三年來，越來越多的電視劇使用了高清拍攝，高清版用于中央電視臺高清頻道的播出及海外發(fā)行，下變換的標清版用于標清播出，獲得了比用傳統(tǒng)標清攝像機更清晰的圖像效果和更好的色彩表現(xiàn)， 16:9 的畫幅比也使視野更為理想。隨著技術的發(fā)展，在高清的攝像機中應用了更多的新功能，為攝影師提供了更多表現(xiàn)手法的手段。另外，由于高清攝像機的圖像質(zhì)量非常接近膠片的圖像，使得電影制作領域也在使用高清攝像機來拍攝，再通過磁轉(zhuǎn)膠的方式在傳統(tǒng)的影院放映，或者直接在數(shù)字影院放映。采用電子的拍攝手段減少了膠片的投入、直接回放縮短了拍攝周期、容易進行電腦特技制作等優(yōu)勢，大大降低了電影的制作成本。因此，一些專門設計的針對電影拍攝者功能需求的攝像機，如可以使用電影鏡頭、完全類似膠片攝影機的操作性能、以及對應膠片寬容度的伽瑪曲線等特性，高清攝像機在電影界得到了廣泛的應用。

　　隨著高清應用的增多，有關高清概念的爭論也越來越多，比如高清的格式、高清的跟焦、高清的景深、高清的壓縮格式等等，與標清有明顯不同的是有關 CCD 像素數(shù)量的區(qū)別引起了更多的關注，甚至出現(xiàn)了“真高清”與“假高清”的說法，例如對于常見的采用小于 200 萬像素 CCD 的攝像機和 720/60p 或 720/50p 的高清格式被稱為“假高清”。其實從隔行掃描的原理來看，由于運動物體及物理與視在并行等原因，其主觀評價的清晰度只是總掃描線×隔行掃描系數(shù) （ 約為 60%-70%） ，因此 1080i 的垂直清晰度與 720p 的垂直清晰度并無差別。

　　攝像機首先是要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，光電轉(zhuǎn)換器件的性能對攝像機的整體性能將產(chǎn)生決定性的影響。當前的攝像機都采用了 CCD 作為光電轉(zhuǎn)換器件， CCD 的成像原理決定了圖像進行光電轉(zhuǎn)換時不是作為連續(xù)的電信號輸出，而是直接轉(zhuǎn)化為點陣圖像單元，因此， CCD 輸出的圖像極限清晰度將與 CCD 的原始像素數(shù)密切相關，也就是說攝像機的最終圖像分辨力與 CCD 的像素數(shù)密切相關。由于 CCD 技術的成熟度很高，在標清情況下， CCD 的像素數(shù)已高于理論上的標清分辨力極限。從數(shù)字化標準來看， Y 信號的取樣點數(shù)不管是 NTSC 或者 PAL 均為每行 720 個點， PAL 制為 720 × 576 個取樣點， NTSC 為 720 × 480 個取樣點， PAL 制總有效像素為 414720，NTSC 制總有效像素為 345600， 而目前廣播級的攝像機 CCD 的像素數(shù)都在 48 萬像素以上 （ 畫幅比可調(diào)的攝像機 16:9 模式為 60 萬像素， 4:3 模式時為 48 萬像素 ） ，其標稱的模擬清晰度水平已達到了 700 線至 800 線，因此大家都不再去關心 CCD 的像素數(shù)，而某些更高像素的標清攝像機，由于格式的原因，也同樣體現(xiàn)不出比 60 萬像素攝像機的圖像質(zhì)量更高。對于高清的攝像機，在產(chǎn)品設計時， CCD 的像素數(shù)出現(xiàn)了 200 萬、 150 萬、 120 萬等幾種像素結(jié)構類型，而高清的格式不管是 50i 、 60i 、 30p 、 25p 、 24p 等何種幀頻，其每幀畫面的取樣比均為 1920 × 1080 或 1280 × 720 （ 主要用于逐行格式 ） ，表面來看，顯然小于 200 萬像素 CCD 不能滿足 1920 × 1080 高清格式的取樣點數(shù)，因此很多人的注意力放在了 100 萬像素 CCD 的攝像機上，認為這樣的攝像機在記錄格式為 50i/60i 時只能算作“假高清”，不能作為專業(yè)應用。而實際情況真是這樣的嗎？其實不然，主要原因是忽視了在 CCD 開發(fā)與生產(chǎn)中的一些特殊的技術與工藝。

　　在標清領域，大家忽略了一個問題，按照 CCD 的像素數(shù)量， PAL 制水平方向只有 768 個像素，換算成電視分辨力為 768 × 3/4 ＝ 576 電視線，因此水平清晰度不可能超過 600 線，可是多數(shù)攝像機的標稱水平清晰度均已超過 700 線，有的甚至達到 850 線，什么原因呢？首先這是模擬分量輸出的指標，數(shù)字輸出由于其水平取樣點為 720， 相當于 720 × 3/4 ＝ 540 電視線，其指標不應大于 540 線。那么，超過 700 線的水平分辨力是從哪里來的呢？在標清領域， CCD 技術廣泛地采用了稱為像素空間偏置 （Special Offset） 的設計與生產(chǎn)工藝，正是這種技術與工藝，有效地提高了圖像分辨力和調(diào)制度指標 （ 已超過 80%） 。這種技術在高清領域的應用，產(chǎn)生了顯著的效果，既平衡圖像分辨力、靈敏度、動態(tài)范圍、抗摩爾干擾等指標的關系，同時匹配了記錄格式的特點，實現(xiàn)了高性價比，構成理想的組合。

　　下面，首先介紹一下像素偏置技術的原理。

　　上圖是采用像素偏置技術對提高分辨力效果的示意圖，被攝對象的頻率反映的是圖像的細節(jié)，當采用像素偏置技術時，綠色 CCD 和紅藍 CCD 將取得不同點的圖像信息，經(jīng)過 DSP 數(shù)字信號處理之后，就可以得到紅色曲線的圖像信息 （ 如物體有高于紅線的細節(jié)信息則無法得到 ） ，而不采用像素偏置技術，則只能得到如藍色曲線的圖像信息，顯然，實際輸出的圖像細節(jié)就少多了。在標清廣播級攝像機中，目前基本上都采用了這種技術，所以標稱水平分辨力都大于 750 電視線。

　　像素偏置的方法通常只用于水平方向，主要是由于垂直方向受掃描線數(shù)的限制，增加垂直方向的分辨力能力將沒有意義。而在高清系統(tǒng)中，還有一種 CCD 采用了水平 / 垂直兩個方向的像素偏置方法，其結(jié)構形式與效果如下圖 ：

　　采用像素偏置的方法后，必須再通過 DSP 數(shù)字處理之后，才能真正達到提高分辨力水平的效果，其工作原理為：將 CCD 輸出的 R 、 G 、 B 原始信號通過以下的處理，變換后的信號就包含了像素偏置而得到的高頻率的圖像信息。

　　計算方法為：將Ｒ、Ｇ、Ｂ信號分為低域成分Ｒ L 、Ｇ Ｌ 、Ｂ Ｌ 和高域成分Ｒ Ｈ 、Ｇ Ｈ 、Ｂ Ｈ ，進行下記演算 ：

　?。遥剑?L ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　?。牵剑?Ｌ ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　?。拢剑?Ｌ ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　因此，雖然 CCD 在分辨力能力中起著主要的作用，但同樣不能忽視 DSP 對分辨力的作用，兩者極佳的配合決定了攝像機整體的分辨力水平。

　　從攝像機的工作原理來看，其基本性能與部件的關系如下表：

　　◎ ： 主要因素 ○ ： 次要因素

　　在開發(fā)高清攝像機時，面臨了許多問題，首先就是 CCD 的技術，從像素來定義的高清格式來看，每幀圖像的像素數(shù)是 1920 × 1080， 是標清攝像機的 4 倍，在同樣尺寸的 CCD 面積上 （2/3 吋 ） 增加 4 倍數(shù)量的像素數(shù)，則每個像素的面積將減小很多， 2/3 吋 220 萬像素 CCD 的每個像素的邊長只有 5 μ m ，如果同樣采用像素偏置技術，首先對 CCD 組裝工藝就是一個挑戰(zhàn)，其次是對像素讀出技術和相應的 DSP 技術提出了更高的要求。因此，目前市場上的高清攝像機 CCD 就不全是采用像素偏置技術的。在小型攝像機系統(tǒng)中， CCD 的尺寸有 1/2 吋，或者更小的 1/3 吋，對于 1/3 吋 CCD 來說，如果制造多達 220 個萬像素數(shù)，每個像素的面積太小，對靈敏度和動態(tài)范圍的影響將會非常嚴重，因此， 1/3 吋 CCD 的像素數(shù)一般小于 100 萬像素，主要有隔行方式的 100 萬和逐行方式的 60 萬像素兩種，逐行系統(tǒng)有更好的靈敏度和動態(tài)范圍。

　　在逐行掃描方式的 CCD 中，采用了被稱為 A.P.T 的技術，就是 Advanced Progressive Technology ，其工作原理如下圖所示。根據(jù)電視原理，每一場只讀取 1080 行的一半，即 540 行，隔行掃描系統(tǒng)總掃描行數(shù)要乘以一個隔行掃描系數(shù) （ 約 0.7） 才是實際的垂直清晰度， CCD 掃描系統(tǒng)在隔行工作模式下也一樣。而在逐行系統(tǒng)中 CCD 是一直工作在逐行模式下，當這種 CCD 用于隔行系統(tǒng)的記錄時， CCD 工作模式不變，每一場都是讀取全部的垂直像素數(shù) （720 行或 540 行 ） ，在 DSP 處理時，將 720 行 （ 或 540 行 ） 進行交叉變換為隔行系統(tǒng)所需要的每場 540 行 （ 每幀 1080 行 ） ，水平方向上，根據(jù)理論分析與實踐中的測試結(jié)果，采用像素偏置后其分辨力為實際像素數(shù)的 1.5 倍。