1、感光元件是數碼相機的核心，也是最關鍵的技術。數碼相機的發展道路，可以說就是感光元件的發展道路。數碼相機的核心成像部件有兩種：一種是廣泛使用的CCD（電荷藕合）元件；另一種是CMOS（互補金屬氧化物導體）器件。與傳統相機相比，傳統相機使用“膠卷”作為其記錄信息的載體，而數碼相機的“膠卷”就是其成像感光元件，感光元件就是數碼相機的不用更換的“膠卷”而且是與相機一體，所以稱為是數碼相機的心臟很確切。 目錄隱藏簡介 工作原理 區別 影響因素 發展歷史 1. 感光原理簡介 工作原理 區別 影響因素 發展歷史 1. 感光原理 編輯本段簡介提到數碼相機，不得不說到就是數碼相機的心臟感光元件。與傳統相機相比，

2、傳統相機使用“膠卷”作為其記錄信息的載體，而數碼相機的“膠卷”就是其成像感光元件，而且是與相機一體的，是數碼相機的心臟。感光器是數碼相機的核心，也是最關鍵的技術。數碼相機的發展道路，可以說就是感光器的發展道路。目前數碼相機的核心成像部件有兩種：一種是廣泛使用的CCD（電荷藕合）元件；另一種是CMOS（互補金屬氧化物導體）器件。 編輯本段工作原理電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器芯片轉換成數字信號，數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸

3、給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。 CCD和傳統底片相比，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經過長達35年的發展，大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的網格、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 CCD 的公司分別為：SONY、Philps、Kod

4、ak、Matsushita、Fujifilm和Sharp，大半是日本廠商。 互補性氧化金屬半導體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一樣同為在數碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶電） 和 P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產生過熱的現象。 編輯本段區別

5、兩種感光元件的不同之處 由兩種感光元件的工作原理可以看出，CCD的優勢在于成像質量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。同時，這幾年來，CCD從30萬像素開始，一直發展到現在的600萬，像素的提高已經到了一個極限。 在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作為感應器；CMOS感應器則作為低端產品應用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產的攝想頭使用CCD感應器，廠商一定會不遺余力地以其作為賣點大肆宣傳，甚至

6、冠以“數碼相機”之名。一時間，是否具有CCD感應器變成了人們判斷數碼相機檔次的標準之一。 CMOS影像傳感器的優點之一是電源消耗量比CCD低，CCD為提供優異的影像品質，付出代價即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫素的電荷轉換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅動，電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優點，是與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號處理器整合在一起，使體積大幅縮小，例如，CMOS影像傳感器只需一組電源，CCD卻需三或四組電源，由于ADC與訊號處理器的制程與CCD不同，要縮小CCD套件的體積很

7、困難。但目前CMOS影像傳感器首要解決的問題就是降低噪聲的產生，未來CMOS影像傳感器是否可以改變長久以來被CCD壓抑的宿命，往后技術的發展是重要關鍵。 編輯本段影響因素影響感光元件的因素 對于數碼相機來說，影像感光元件成像的因素主要有兩個方面：一是感光元件的面積；二是感光元件的色彩深度。 感光元件面積越大，成像較大，相同條件下，能記錄更多的圖像細節，各像素間的干擾也小，成像質量越好。但隨著數碼相機向時尚小巧化的方向發展，感光元件的面積也只能是越來越小。 除了面積之外，感光元件還有一個重要指標，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二進制數字來記錄三種原色。非專業型數碼相機的感光元件一般是

8、24位的，高檔點的采樣時是30位，而記錄時仍然是24位，專業型數碼相機的成像器件至少是36位的，據說已經有了48位的CCD。對于24位的器件而言，感光單元能記錄的光亮度值最多有28=256級，每一種原色用一個8位的二進制數字來表示，最多能記錄的色彩是256x256x256約16,77萬種。對于36位的器件而言，感光單元能記錄的光亮度值最多有212=4096級，每一種原色用一個12位的二進制數字來表示，最多能記錄的色彩是4096x4096x4096約68.7億種。舉例來說，如果某一被攝體，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24位感光元件的數碼相機來拍攝的話，如果按低光部位曝光，則凡是

9、亮度高于256倍的部位，均曝光過度，層次損失，形成亮斑，如果按高光部位來曝光，則某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用了36位感光元件的專業數碼相機，就不會有這樣的問題。 編輯本段發展歷史感光元件的發展（CCD、CMOS、Exmor R CMOS） CCD是1969年由美國的貝爾研究室所開發出來的。進入80年代，CCD影像傳感器雖然有缺陷，由于不斷的研究終于克服了困難，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品質的CCD。到了90年代制造出百萬像素之高分辨率CCD，此時CCD的發展更是突飛猛進，算一算CCD 發展至今也有二十多個年頭了。進入90年代中期后，CCD技術得到了迅猛發展，同時，CCD

10、的單位面積也越來越小。但為了在CCD面積減小的同時提高圖像的成像質量，SONY與1989年開發出了SUPER HAD CCD，這種新的感光元件是在CCD面積減小的情況下，依靠CCD組件內部放大器的放大倍率提升成像質量。以后相繼出現了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色濾光技術（專為SONY F828所應用）。而富士數碼相機則采用了超級CCD（Super CCD）、Super CCD SR。 對于CMOS來說，具有便于大規模生產，且速度快、成本較低，將是數字相機關鍵器件的發展方向。目前，在CANON等公司的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動態范圍CM

11、OS器件已經出現，這一技術消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要，使之接近了CCD的成像質量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對于CCD的停滯不前相比，CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。作為數碼相機的核心部件，CMOS感光器以已經有逐漸取代CCD感光器的趨勢，并有希望在不久的將來成為主流的感光器。 Exmor R CMOS背面照明技術感光元件，改善了傳統CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采用了和普通方法相反、向沒有布線層的一面照射光線的背面照射技術，由于不受金屬線路和晶體管的阻礙，開口率（光電轉換部分在一個

12、像素中所占的面積比例）可提高至近100%。與其以往1.75m間隔的表面照射產品相比，背面照射產品在靈敏度（S/N）上具有很大優勢。索尼Cyber-shot新品WX1和TX1，首次在數碼相機領域采用了一種全新的Exmor R CMOS傳感器。這種Exmor R CMOS傳感器的感光能力是過去同尺寸傳感器的兩倍，因此在光線不足的環境下拍攝，能夠大幅降低噪點，獲得更清晰的圖像。而在此后的實際測試中也表明，這兩款Cyber-shot數碼相機不僅提供了最高ISO 3200的高感光度，并且噪點抑制能力相當優秀。同時，這兩款數碼相機還提供了手持夜景拍攝、全景掃描等一系列先進功能也是對新一代影像傳感器的技術延

13、伸。傳統的CMOS傳感器每個像素點都要搭配一個對應的A/D轉換器以及對應的放大電路，因此，這部分電路會占用更多的像素面積，直接導致光電二極管實際感光的面積變小，感光能力變弱。CCD的單個像素點不需要A/D轉換器和放大電路，光電二極管能獲得更大的實際感光面積，開口率更大，因此在小尺寸影像傳感器領域，目前CCD仍占據一定優勢，而在大尺寸影像傳感器領域，由于單個像素點的面積大，A/D轉換器和放大電路占用的面積只是整個像素的很小一部 感光原理分，影響不大，因此CMOS傳感器也得到了廣泛的應用。 而Exmor R CMOS將光電二極管“放置”在了影像傳感器芯片的最上層，把A/D轉換器及放大電路挪到了影像

14、傳感器芯片的“背面”，而不是像傳統CMOS傳感器一樣，A/D轉換器和放大電路位于光電二極管的上層，“擋住了”一部分光線。這樣一來，通過微透鏡和色彩濾鏡進來的光線就可以最大限度地被光電二極管利用，開口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像傳感器，也能獲得優良的高感光度能力。 相比較之下，傳統的表面照射型CMOS傳感器的光電二極管位于整個芯片的最下層，而A/D轉換器和放大電路位于光電二極管上層，因此光電二極管離透鏡的距離更遠，光線更容易損失。同時，這些線路連接層還會阻塞從色彩濾鏡到達光電二極管的光路，因此直接導致實際能夠感光更少。而Exmor R背照式CMOS傳感器解決了這樣的問題。編輯本段CMOS

15、簡介 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），中文學名為互補金屬氧化物半導體，它本是計算機系統內一種重要的芯片，保存了系統引導最基本的資料。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶電） 和 P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。后來發現CMOS經過加工也可以作為數碼攝影中的圖像傳感器，CMOS傳感器也可細分為被動式像素傳感器（Passive Pixel Sensor CMOS）與主動式像素傳感器（Active Pixel

16、Sensor CMOS）3。 編輯本段CMOS與CCD的區別CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進行光電轉換，將圖像轉換為數字數據，而其主要差異是數字數據傳送的方式不同。 CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數據都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路，用類似內存電路的方式將數據輸出。 造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數據在傳送時不會失真，因此各個象素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數據在傳送

17、距離較長時會產生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個象素的數據1。 由于數據傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異，這些差異包括： 1. 靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構成(含放大器與A/D轉換電路)，使得每個象素的感光區域遠小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。1 2. 成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節省外圍芯片的成本；除此之

18、外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數據，只要其中有一個象素不能運行，就會導致一整排的數據不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。1 3. 分辨率差異：CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復雜，其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平，因此，當比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時，CCD傳感器的分辨率通常會優于CMOS傳感器的水平。例如，市面上CMOS傳感器最高可達到210萬象素的水平(OmniVision的 OV2610，2002年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，

19、象素尺寸為4.25m，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率卻能高達513萬象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。1 4. 噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持一致，因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會增加很多，影響圖像品質。1 5. 功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常

20、需要達到1218V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅動電壓更使其功耗遠高于CMOS傳感器的水平。舉例來說，OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下運行，功耗僅為40mW；而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級的產品，其功耗卻仍保持在90mW 以上。1 綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步，兩者的差異有逐漸縮小的態勢，例如，

21、CCD傳感器一直在功耗上作改進，以應用于移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo)；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應用于更高端的圖像產品。 編輯本段主要CMOS廠商投入CMOS研發、生產的廠商較多，美國有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國1家，臺灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP)，其市場占有率51、ST(VLSI Vision)占16、Omni Vision占13、現代占8、Photobit約占5，這五家合計市占率達93。 SonySony是全球CCD傳感器第一大廠，也是第一家投入12英寸晶圓、推出600萬象素CCD的公司，Sony約有3040%的

22、CCD傳感器供自有品牌產品使用，其它則賣給Canon、Sanyo、Casio、以及臺灣的新虹、普利爾、詮訊(與臺灣佳能合并)等廠商。 Sony的產品技術藍圖顯示，2003年除了800萬象素的ICX 456外，并無其它微縮工藝的產品問世。產品尺寸將大致保持現有水平，取而代之的是強化攝影功能與支持progressive scan(連續式掃描)，例如500萬象素的ICX455/465、330萬象素的ICX451/481、以及210萬象素的ICX461等，令高端產品也能達到30fps以上的數據傳送速率。 高端產品的大部分市場仍被Sony占據，再加上市場仍處于供不應求的局面，公司并未急于做降低成本的動作

23、，不過，一旦Sony最先進的工藝(象素尺寸2.62.8mm)達到成熟階段(成品率超過50%)，該公司勢必近一步將此工藝應用到其它產品上(目前仍只有1/1.8英寸、 500萬象素產品使用此工藝)，屆時可能會有1/2.7英寸、400萬象素產品問世。 OmniVisionOmniVision成立于1995年(以下簡稱OV)，2002年6月領先其它同業率先推出210萬象素的OV2610震驚市場，雖然目前采用此傳感器量產的產品并不多，但這已說明CMOS傳感器可以開始進入原本屬于CCD傳感器的中高端數碼相機市場； OV的數據顯示，目前已有天瀚、明、鴻友等臺灣商家開始采用該公司的OV2610。展望2003年

24、，OV將在1季度2季度之間推出330萬象素、1/2英寸的產品，采TSMC 0.18mm工藝生產，再次拓展CMOS傳感器的應用范圍。在移動電話市場上，CMOS模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。 在低功耗產品方面，OV也在2002年12巒瞥雋薕V7640，可以在2.5V的環境下運行，為目前VGA產品中功耗最低的芯片。而在2003 年新規劃的產品方面，OV計劃在下半年推出130萬象素、1/4英寸，以及VGA、1/7英寸的產品，希望在CCD廠家推出低功耗的130萬素產品之前，先行搶占市場先機。 AgilentAgilent主要的產品為第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第

25、二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要應用在數碼相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯盟，打入了光學鼠標產品領域，但是這是非常低階的CMOS產品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測器的全球統計時并未將此數量一并加入，但是此舉可看出Agilent以CMOS技術為基礎進軍光學元件的規劃意圖。 PhotobitPhotobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的CMOS圖像傳感器，此產品特色具備單一晶

26、片邏輯轉數位的變頻器，它是第二代1/4寸的VGA（640 x 480），同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器，是第二代1/5寸的CIF（352 x 288）。Photobit推出這兩種產品主要針對數碼相機和PC Camera這些近年來蓬勃發展的數位化產品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行動電話市場上有所區隔，其推出CIF（352 x 288）和VGA（640 x 480）這兩種不同解析程度的影像感測器，行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場。 其它公司最具特色的是Sanyo，該公司致力于改善CCD 傳感器的功耗，以相機電話為主要應用目標，之前J-Phone

27、率先推出的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF級CCD傳感器，Sharp、Toshiba等手機廠家也計劃在02年4季度03年1季度之間陸續引入 Sanyo的VGA產品。Matsushita、Sharp的產品規劃與Sony相差不多，主要差異在于Matsushita準備推出更小的400萬象素 (1/2.7英寸)與130萬象素(1/4英寸)產品。 編輯本段發展前景專家們認為，21世紀初全球CMOS圖像傳感器市場將在PC攝像機、移動通信市場、數碼相機、攝像機市場市場等領域獲得大幅度增長，在未來的幾年時間內，在130 萬像素至200萬像素之下的產品中，將開始以CMOS傳感器為主流。以小

28、型化和低功耗CMOS圖像傳感器為核心的攝像機正在成為消費類產品的主流，上述領域將為圖像傳感器市場帶來巨大發展2。 編輯本段業界動態2009年8月28日，索尼秋季數碼影像新品發布會在北京隆重舉行，索尼宣布在三條產品線推出共十款數碼影像新品。其中 DSC-TX1和DSC-WX1首次應用了新型影像傳感器Exmor R CMOS影像傳感器，它采用先進的背照射技術，其對光線的靈敏度比傳統的CMOS影像傳感器提高了約2倍，大幅提升了拍攝畫質，得到明亮畫面的同時更好地降噪，使得在低照度條件下仍然可以獲得細節豐富的照片，造就卓越的夜間拍攝性能。該傳感器具備1020萬有效像素，支持從ISO100ISO3200的

29、感光度范圍，并支持720p的高畫質動態影像視頻拍攝。性能強大的Exmor R MOS配合BIONZ影像處理器，可以快速準確地處理海量信息，使DSC TX1和WX1具備了手持夜景模式、全景拍攝、動作防抖和每秒最高約10張。 三星電子公司提高CMOS傳感器靈敏度的背面照射（BSI：backside illumination）技術達到了實用化水平，2010年將批量生產產品。三家大型CMOS傳感器公司均將在2010年開始量產采用背面照射技術的 CMOS傳感器（BSI型CMOS傳感器）。三星在工藝技術方面將采用適于降低成本的方法。之所以著手從事BSI技術，是因為通過提高靈敏度能夠維持相同的靈敏度同時縮小

30、像素間距。據該公司估算，1.4m間距的BSI型能夠獲得與基于現有技術的FSI（Front Side Illumination）型1.75m間距產品相同的畫質。同一像素間距，BSI型的靈敏度可以比FIS型高30。三星為在今后量產1.1m間距產品等間距更小的元件，將增加BSI型的比例。該公司計劃把2010年首批量產的BSI型CMOS傳感器做成支持1460萬像素和30幀/秒的元件。預計將配備于數碼相機、數碼攝像機及高端手機等設備上4。編輯本段CCDCCD發展史CCD是于1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉·博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治·史密斯

31、（George E. Smith）所發明的。當時貝爾實驗室正在發展影像電話和半導體氣泡式內存。將這兩種新技術結合起來后，波義耳和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷氣泡元件”（Charge "Bubble" Devices）。這種裝置的特性就是它能沿著一片半導體的表面傳遞電荷，便嘗試用來做為記憶裝置，當時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發現光電效應能使此種元件表面產生電荷，而組成數位影像。到了70年代，貝爾實驗室的研究員已引能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續此一發明，著手進行進一步的研究，包括快捷半導體（Fairchild Semic

32、onductor）、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）。其中快捷半導體的產品率先上市，于1974年發表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。 發明者榮譽2006年元月，波義耳和史密斯獲頒電機電子工程師學會（IEEE）頒發的Charles Stark Draper獎章，以表彰他們對CCD發展的貢獻。 北京時間2009年10月6日，2009年諾貝爾物理學獎揭曉，瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會宣布將該獎項授予一名中國香港科學家高錕(Charles K. Kao)和兩名科學家維拉·博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治·史

33、密斯（George E. Smith）。科學家Charles K. Kao 因為“在光學通信領域中光的傳輸的開創性成就” 而獲獎，科學家因博伊爾和喬治-E-史密斯因“發明了成像半導體電路電荷藕合器件圖像傳感器CCD” 獲此殊榮。 編輯本段CCD簡介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。 CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數字信號。CCD上有許多排

34、列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。CCD廣泛應用在數位攝影、天文學，尤其是光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術如Lucky imaging。CCD在攝像機、數碼相機和掃描儀中應用廣泛，只不過攝像機中使用的是點陣CCD，即包括x、y兩個方向用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用的是線性CCD，它只有x一個方向，y方向掃描由掃描儀的機械裝置來完成。 傳真機所用的線性CCDCCD的加工工藝有兩種，一種是TTL工藝，一種是CMOS工藝，現在市場上所說的CCD和CMOS其實都是CCD，只不過是加工工藝不同，前者是毫安級的

35、耗電量，而后者是微安級的耗電量。TTL工藝下的CCD成像質量要優于CMOS工藝下的CCD。CCD廣泛用于工業，民用產品。 編輯本段CCD功能特性CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為數字電信號，實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。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，性能穩定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態范圍大；4.響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應用超大規模集成電路工藝技術生產，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產成本低。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工作原理CCD從功能上可分為線陣CCD和

36、面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內部電極分成數組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數由CCD芯片內部結構決定，結構相異的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，其光敏區是MOS電容或光敏二極管結構，生產工藝相對較簡單。它由光敏區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，易實現實時控制，但獲取信息量小，不能處理復雜的圖像(線陣CCD見圖1-3所示)。面陣CCD的結構要復雜得多，它由很多光敏區排列成一個方陣，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。 編輯本段CCD的應用四十年來，CCD器件及其應用技術的研究取得

37、了驚人的進展，特別是在圖像傳感和非接觸測量領域的發展更為迅速。隨著CCD技術和理論的不斷發展，CCD技術應用的廣度與深度必將越來越大。CCD是使用一種高感光度的半導體材料集成，它能夠根據照射在其面上的光線產生相應的電荷信號，在通過模數轉換器芯片轉換成“0”或“1”的數字信號，這種數字信號經過壓縮和程序排列后，可由閃速存儲器或硬盤卡保存即收光信號轉換成計算機能識別的電子圖像信號，可對被側物體進行準確的測量、分析。 含格狀排列像素的CCD應用于數碼相機、光學掃瞄儀與攝影機的感光元件。其光效率可達70%(能捕捉到70%的入射光)，優于傳統菲林（底片）的2%，因此CCD迅速獲得天文學家的大量采用。 傳

38、真機所用的線性CCD影像經透鏡成像于電容陣列表面后，依其亮度的強弱在每個電容單位上形成強弱不等的電荷。傳真機或掃瞄儀用的線性CCD每次捕捉一細長條的光影，而數碼相機或攝影機所用的平面式CCD則一次捕捉一整張影像，或從中擷取一塊方形的區域。一旦完成曝光的動作，控制電路會使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個單元，到達邊緣最后一個單元時，電荷訊號傳入放大器，轉變成電位。如此周著復始，直到整個影像都轉成電位，取樣并數位化之后存入內存。儲存的影像可以傳送到打印機、儲存設備或顯示器。 在數碼相機領域，CCD的應用更是異彩紛呈。一般的彩色數碼相機是將拜爾濾鏡（ Bayer filter ）加裝在CCD上。每四

39、個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結果每個像素都接收到感光訊號，但色彩分辨率不如感光分辨率。 用三片CCD和分光棱鏡組成的3CCD系統能將顏色分得更好，分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光，由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業級數位攝影機，和一部份的半專業級數位攝影機采用3CCD技術。目前，超高分辨率的CCD芯片仍相當昂貴，配備3CCD的高解析靜態照相機，其價位往往超出許多專業攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡，兼顧高分辨率與忠實的色彩呈現。這類多次成像的照相機只能用于拍攝靜態物品。 經冷凍的CCD同

40、時在1990年代初亦廣泛應用于天文攝影與各種夜視裝置，而各大型天文臺亦不斷研發高像數CCD以拍攝極高解像之天體照片。 CCD在天文學方面有一種奇妙的應用方式，能使固定式的望遠鏡發揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致，速度也同步，以CCD導星不僅能使望遠鏡有效糾正追蹤誤差，還能使望遠鏡記錄到比原來更大的視場。 一般的CCD大多能感應紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度(或趨近零照度)攝影機/照相機等。為了減低紅外線干擾，天文用CCD常以液態氮或半導體冷卻，因室溫下的物體會有紅外線的黑體幅射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備C

41、CD的數碼相機或錄影機若沒加裝紅外線濾鏡，很容易拍到遙控器發出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流，增進CCD在低照度的敏感度，甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升（信噪比提高）。 溫度噪聲、暗電流（dark current）和宇宙輻射都會影響CCD表面的像素。天文學家利用快門的開闔，讓CCD多次曝光，取其平均值以緩解干擾效應。為去除背景噪聲，要先在快門關閉時取影像訊號的平均值，即為"暗框"(dark frame)。然后打開快門，取得影像后減去暗框的值，再濾除系統噪聲(暗點和亮點等等)，得到更清晰的細節。 天文攝影所用的冷卻CCD照相機必須以接環固定在成像位置，防止

42、外來光線或震動影響；同時亦因為大多數影像平臺生來笨重，要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像，天文學家利用"自動導星"技術。大多數的自動導星系統使用額外的不同軸CCD監測任何影像的偏移，然而也有一些系統將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學裝置把主鏡內部份星光加進相機內另一顆CCD導星裝置，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差，并自動調整驅動馬達以矯正誤差而不需另外裝置導星。 一組用于紫外線影像處理用的CCD編輯本段CCD為什么能看到紅外線?其實在CCD中，本來就對紅外光有感應,能看到紅外線，例如：使用黑白攝像機從380nm-645nm 穿透率是約93% ,剛好就是可見光的范圍(紫-

43、靛-藍-綠-黃-橙-紅),就是彩虹的顏色嘛! 600多nm是紅色光,在它往右以”外”,就叫”紅外線”,是”紅色以外的光” 不是紅色的光,因為眼睛已經看不到了,再來,380nm左右我們眼睛看到的是紫色,在380nm往左以”外”,就叫”紫外線”. 編輯本段CCD彩色數碼相機一般的彩色數碼相機是將拜爾濾鏡（Bayer filter）加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結果每個像素都接收到感光訊號，但色彩分辨率不如感光分辨率。 用三片CCD和分光棱鏡組成的3CCD系統能將顏色分得更好，分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光

44、，由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業級數位攝影機，和一部份的半專業級數位攝影機采用3CCD技術。 截至2005年，超高分辨率的CCD芯片仍相當昂貴，配備3CCD的高解析靜態照相機，其價位往往超出許多專業攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡，兼顧高分辨率與忠實的色彩呈現。這類多次成像的照像機只能用于拍攝靜態物品。 CCD它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器芯片轉換成數字信號，數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據需要和想像來修改圖像。CCD由許

45、多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。 CCD在攝像機里是一個極其重要的部件，它起到將光線轉換成電信號的作用，類似于人的眼睛，因此其性能的好壞將直接影響到攝像機的性能。 衡量CCD好壞的指標很多，有像素數量，CCD尺寸，靈敏度，信噪比等，其中像素數以及尺寸是重要的指標。像素數是指上感光元件的數量。攝像機拍攝的畫面可以理解為由很多個小的點組成，每個點就是一個像素。顯然，像素數越多，畫面就會越清晰，如果沒有足夠的像素的話，拍攝出來的畫面的清晰度就會大受影響，因此，理論上的像素數

46、量應該越多越好。但像素數的增加會使制造成本以及成品率下降，而且在現行電視標準下，像素數增加到某一數量后，再增加對拍攝畫面清晰度的提高效果變得不明顯，因此，一般一百萬左右的像素數對一般的使用已經足夠了。 單攝像機是指攝像機里只有一片并用其進行亮度信號以及彩色信號的光電轉換，其中色度信號是用上的一些特定的彩色遮罩裝置并結合后面的電路完成的。由于一片同時完成亮度信號和色度信號的轉換，因此難免兩全，使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達不到專業水平的要求。為了解決這個問題，便出現了攝像機。，顧名思義，就是一臺攝像機使用了片。我們知道，光線如果通過一種特殊的棱鏡后，會被分為紅，綠，藍三種顏色，而這三種顏色就是

47、我們電視使用的三基色，通過這三基色，就可以產生包括亮度信號在內的所有電視信號。如果分別用一片接受每一種顏色并轉換為電信號，然后經過電路處理后產生圖像信號，這樣，就構成了一個系統。 和單相比，由于分別用個轉換紅，綠，藍信號，拍攝出來的圖像從彩色還原上要比單來的自然，亮度以及清晰度也比單好。但由于使用了三片，攝像機的價格要比單貴很多。 四色CCD是索尼公司在2003年推出的一種CCD新技術。四色即紅 綠 藍 品紅（RGBE）相對與傳統的三色（紅 綠 藍），四色CCD的色彩還原錯誤率進一步降低。因而使色彩還原更逼真。首款采用四色CCD的數碼相機是SONY DSCF828 一款面陣CCD數碼相機規格表

48、中的CCD一欄經常寫著“1/2.7英寸CCD”等。這里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，實際上就是CCD對角線的長度。 現有的數碼相機一般采用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)的集合體，接收透過鏡頭的光并將其轉換為電信號。在像素數一樣的情況下，CCD尺寸越大單位像素就越大。這樣，單位像素可以收集更多的光線，因此，理論上可以說有利于提高畫質。 但是，數碼相機畫質的好壞不僅是由CCD決定的。鏡頭以及通過CCD輸出的電信號形成圖像的電路的性能等也能夠影響到相機的畫質。所謂的“大尺寸CCD高畫質”是不正確的。例如，雖然1/2.7英寸比1/1.8英

49、寸尺寸小，但配備1/2.7英寸CCD的數碼相機并沒有受到畫質不好的批評。 現在，袖珍數碼相機日趨小巧輕便，出于設計上的考慮，其中大多采用1/2.7英寸的小型CCD。 編輯本段CCD數碼攝像機CCD攝像機的選擇和分類CCD結構及工作原理CCD結構包含感光二極管、并行信號寄存器、并行信號寄存器、信號放大器、數摸轉換器等項目，將分別敘述如下； 1. 感光二極管（Photodiode） 2. 并行信號寄存器（Shift Register）：用于暫時儲存感光后產生的電荷。 3. 并行信號寄存器（Transfer Register）：用于暫時儲存并行積存器的模擬信號并將電荷轉移放大。 4. 信號放大器：用

50、于放大微弱電信號。 5. 數摸轉換器：將放大的電信號轉換成數字信號。 CCD的工作原理由微型鏡頭、分色濾色片、感光層等三層，將分別敘述如下； 1. 微型鏡頭 微型鏡頭為CCD的第一層，我們知道，數碼相機成像的關鍵是在于其感光層，為了擴展CCD的采光率，必須擴展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫質下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因為傳感器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。 2. 分色濾色片 分色濾色片為CCD的第二層，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個則是CMYK補色分色法這兩種方法各有優缺點。首先，我們先了解一

51、下兩種分色法的概念，RGB即三原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識別的顏色，都可以通過紅、綠和藍來組成，而RGB三個字母分別就是Red, Green和Blue，這說明RGB分色法是通過這三個通道的顏色調節而成。再說CMYK，這是由四個通道的顏色配合而成，他們分別是青（C）、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業中，CMYK更為適用，但其調節出來的顏色不及RGB的多。 原色CCD的優勢在于畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的數碼相機，在ISO感光度上多半不會超過400。相對的，補色CCD多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細，但卻犧牲了部分影像的

52、分辨率，而在ISO值上，補色CCD可以容忍較高的感光度，一般都可設定在800以上 3. 感光層 感光層為CCD的第三層，這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。 CCD芯片就像人的視網膜，是攝像頭的核心。目前我國尚無能力制造，市場上大部分攝像頭采用的是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生產的芯片，現在韓國三星等也有能力生產，但質量就要稍遜一籌。 因為芯片生產時產生不同等級，各廠家獲得途徑不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。在購買時，可以采取如下方法檢測：接通電源，連接視頻電纜到監視器，關閉鏡頭光圈，看圖像全黑時是否有亮點，屏幕上雪花

53、大不大，這些是檢測CCD芯片最簡單直接的方法，而且不需要其它專用儀器。然后可以打開光圈，看一個靜物，如果是彩色攝像頭，最好攝取一個色彩鮮艷的物體，查看監視器上的圖像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。好的CCD可以很好的還原景物的色彩，使物體看起來清晰自然；而殘次品的圖像就會有偏色現象，即使面對一張白紙，圖像也會顯示藍色或紅色。個別CCD由于生產車間的灰塵，CCD靶面上會有雜質，在一般情況下，雜質不會影響圖像，但在弱光或顯微攝像時，細小的灰塵也會造成不良的后果，如果用于此類工作，一定要仔細挑選。 1、依成像色彩劃分 彩色攝像機：適用于景物細部辨別，如辨別衣著或景物的顏色。 黑白攝像機：適用于光

54、線不充足地區及夜間無法安裝照明設備的地區，在僅監視景物的位置或移動時，可選用黑白攝像機。 2、依分辨率靈敏度等劃分 影像像素在38萬以下的為一般型，其中尤以25萬像素（512*492）、分辨率為400線的產品最普遍。 影像像素在38萬以上的高分辨率型。 3、按CCD靶面大小劃分 CCD芯片已經開發出多種尺寸： 目前采用的芯片大多數為1/3”和1/4”。在購買攝像頭時，特別是對攝像角度有比較嚴格要求的時候，CCD靶面的大小，CCD與鏡頭的配合情況將直接影響視場角的大小和圖像的清晰度。 4、按掃描制式劃分 PAL制、NTSC制。 中國采用隔行掃描（PAL）制式（黑白為CCIR），標準為625行，5

55、0場，只有醫療或其它專業領域才用到一些非標準制式。另外，日本為NTSC制式，525行，60場（黑白為EIA）。 5、依供電電源劃分 110VAC（NTSC制式多屬此類）； 220VAC 24VAC 12VDC 9VDC（微型攝像機多屬此類）。 6、按同步方式劃分 內同步：用攝像機內同步信號發生電路產生的同步信號來完成操作。 外同步：使用一個外同步信號發生器，將同步信號送入攝像機的外同步輸入端。 功率同步（線性鎖定，line lock）：用攝像機AC電源完成垂直推動同步。 外VD同步：將攝像機信號電纜上的VD同步脈沖輸入完成外VD同步。 多臺攝像機外同步：對多臺攝像機固定外同步，使每一臺攝像機可

56、以在同樣的條件下作業，因各攝像機同步，這樣即使其中一臺攝像機轉換到其他景物，同步攝像機的畫面亦不會失真。 7、按照度劃分，CCD又分為： 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 紅外型 采用紅外燈照明，在沒有光線的情況下也可以成像 CCD彩色攝像機的主要技術指標CCD尺寸，亦即攝像機靶面。原多為1/2英寸，現在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的主要性能指標，它決定了顯示圖像的清晰程度，分辨率越高，圖像細節的表現越好。CCD是由面陣感光元素組成，每一個元素稱為像素，像素

57、越多，圖像越清晰?，F在市場上大多以25萬和38萬像素為劃界，38萬像素以上者為高清晰度攝像機。 水平分辨率。彩色攝像機的典型分辨率是在320到500電視線之間，主要有330線、380線、420線、460線、500線等不同檔次。分辨率是用電視線（簡稱線TV LINES）來表示的，彩色攝像頭的分辨率在330500線之間。分辨率與CCD和鏡頭有關，還與攝像頭電路通道的頻帶寬度直接相關，通常規律是1MHz的頻帶寬度相當于清晰度為80線。 頻帶越寬，圖像越清晰，線數值相對越大。 最小照度，也稱為靈敏度。是CCD對環境光線的敏感程度，或者說是CCD正常成像時所需要的最暗光線。照度的單位是勒克斯（LUX），數值越小，表示需要的光線越少，攝像頭也越靈敏。月光級和星光級等高增感度攝像機可工作在很暗條件，23lux屬一般照度