ccd技术的原理与应用及高清摄像机CCD技术 - 全文

　　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，也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。 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，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。

　　CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，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从功能上可分为线阵CCD和面阵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如右图所示）。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。

　　CCD工作原理

　　CCD的特点

　　1、高解析度（HighResolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、

　　1/2寸、2/3寸、1/4寸到现在的1/9寸，像素数目已从初期的10多万增加到千万像素，以后还有继续增加的趋势。

　　2、低躁声（LowNoise）高敏感度：CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声，因此有比较高的信噪比（SNR），同时具有高敏感度0.0003～0.0005LUX甚至0LUX低光度的入射光也能检测到，其信号不会被噪声掩盖，所以CCD的应用基本不受气候的限制；

　　3、动态范围广（HighDynamicRange）：通过

　　数字处理的CCD信号，其动态范围可达到400%，专业级可达到600%，可同时适用于强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象；

　　4、良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出信号大小成良好的正比关系，能很好地反映被摄图像的细节层次，降低信号补偿处理成本；

　　5、光子转换效率高（HighQuantumEfficiency）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在黑夜远处的景物仍然还可以拍摄到；

　　6、大面积感光（LargeFieldofView）：利用半导体技术已可制造大面积的CCD晶片，目前与传统胶片尺寸相当的35mm的CCD已经开始应用在数码相机中，成为取代专业光学相机的关键元件；

　　7、光谱响应广（BroadSpectralResponse）：从0.4～1.1μm，能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；当然根据不同的应用场合和要求，需用滤色片或复合滤色片；

　　8、低影像失真（LowImageDistortion）：使用CCD感测器，其图处理不会有失真的情形，使原物体表面信息忠实地反应出来；

　　9、体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，应用广泛

　　10、低耗能，不受强电磁场影响；

　　11、电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊；

　　12、可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。有些烧坏的CCD像素，经过一段时间的带电工作后，能自我恢复。

　　CCD主要生产厂商：

　　CCD产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球98.5％的市场份额，在技术发展方面，主要厂商应为索尼、飞利普，NEC和柯达公司。

　　CCD的工作原理

　　1、CCD（ChargeCoupledDevice）意即电荷耦合器件，是一种特殊的半导体。现在都习惯用CCD当作图像传感器的代名词。现在的CCD图像传感器由三层组成：第一层：微透镜头；第二层：分色镜片；第三层：感光、储存、转移电荷（CCD）层。如下图：

　　2、CCD工作的基本原理：CCD的感光面是若干个独立光刻单元的集合，它能存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输，并输出电信号。下图为行间转移CCD（IT:InterlineTransfer）的工

　　作原理图：

　　3、CCD的物理结构，CCD有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。首先将一块半导体基板通过光刻划分成行×列的矩阵状，示意如下图示（4×8=32个像素单元）：

　　每个单元为一个像素单元，在每个像素单元里，制作出一个光感区（光感二极管）、电荷储存区、电荷转移区和益漏沟槽、电极等。如下图简示：

　　从上面的示意图（正面图）可以看出，每一个单元对应一个像素，内含一个光感二极管和与其一起工作的开关场效应管，转移储存器，像素之间还有益流沟和转移珊等，因此感光面约占每个像素面积的1/2左右的面积，增大感光面积很重要，因为感光面积越大，光感二极管采集的光就越多，成像质量就越高，但是，感光区不能把面向光线射入处都做成有效感光部份，真正能感光部分的面积只是感光区面向光线射入处部份面的60%-90%，这就是所谓的开口率。但每个像素点的面积有限，目前解决的的办法是在每个感光区前面加一个光学透镜（索尼最先想出的解决办法），以增加受光面积，这就是CCD上的第一层微镜头，这样感光面积就由微镜片来决定了，效果非常好。

　　4、三种典型图像CCD的电荷转移方式结构示意图

　　5、下面以行间转移型（IT:InterlineTransfer）CCD

　　的工作流程，说明CCD的工作原理。

　　CCD结构如图下所示，包含感光二极管（Photo-diode）、垂直寄存器、行信号输出寄存器、控制栅、电荷检测、数摸转换器放大器等单元，其工作流程敘述如下：

　　行场间转移型（IT:Interline

　　Transfer）CCD的工作流程图

　　下面是一个面CCD图像传感器，现在说明其从时间顺序上的工作过程：

　　1、在场信号的正扫描期间，感光区的感光二极管将其所受光的强度转换成电子并储存在感光区进行积累；

　　2、在场扫描的逆扫描期（场消隐期），转移控制栅从低电位转成高电位，开通感光区与垂直储存区（CCD），使感光区储存的电荷转移到垂直储存区，转移完成后，转移控制栅电位变成低电位，结束电荷转移，这个过程在逆扫描期（场消隐期）内完成；

　　3、在场的正扫描期间，储存在垂直存储单元中的电荷，在Vф1、

　　Vф2、Vф3、Vф4脉冲时序电压作用下，依次将其储存的电荷向下转移到水平存储单元中，每个转移过程仅在每个行扫描的逆扫描期间内完成，且每个垂直储存单元在行逆程扫描期只转移一个像素的电荷，这样就保证每次转移后，水平输出CCD内仅存有一行像素；

　　4、在行扫描的正扫期间，在Hф1、Hф2时序脉冲电压的作用下，将已转移到水平存储单元的电荷依次向左转移，并检测输出（一行图像的扫描信号），完成一行输出后，水平存储单元内的储存电荷全部转移出去，水平存储单元清空，等待下次从垂直存储单元转

　　移电荷；在场正扫描期内，完成一幅图像的转移输出。

　　彩色CCD的工作原理

　　CCD的像素感光特性只对光的强弱有较好的正比关系，并且感光范围超过可见光范围，但CCD不能识别光的颜色，只能识别光的强弱，所以CCD是色盲，只能反映出图像的黑白图像（灰度级），如何识别彩色图像？

　　1、三基色方案的工作原理

　　根据三基色原理，将一幅图像分离出组成该图像的三基色图像红（R），绿（G），蓝（B）的三幅单色图像（当然也可以分离成其图像的三补色的单色图像），用三块CCD

　　分别对其三基色图像进行独立感光，根据需要，再将其三基色图像信号合成为全彩色图像信息信号进行处理或输出，这就是三CCD成像原理，如下图所示：

　　这种工作方式的优点是：清晰度高，色彩还原好，后续处理方便。缺点是：代价高，三块CCD同时工作并调试好才出厂；维修代价高，因为一般维修，不能对三块CCD进行进行光学重合调整，即使其中一块CCD坏了，也要三块CCD同时更换；光路设计要求高，在光通路上，要设有三基色分光镜，将全色图像分离出R，G，B三基色图像分别对应三块CCD，且要求三块CCD的图像必须在物理视觉上重合，生产厂家必须将三块CCD和分色镜做在一起，所以生产成本较高。

　　2、彩色单CCD的工作原理

　　不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的做法是覆盖RGB（红绿蓝）三色滤光片，以1：2：1的构成（如图示）

　　即由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。而索尼的四色CCD技术则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色（英文Emerald，有些媒体称为E通道），由此组成新的R、G、B、E四色方案。上面方案处理彩色图像时，其清晰度只有单色CCD的1/4，为了弥补这

　　种损失，在CCD输出后，通过计算，来恢复这一组（四个像素）像素每个像素的RGB信号，从而提高图像的清晰度。

　　计算方法和恢复方法，每家公司的算法也不相同，同一幅图像，通过不同的恢复方法（算法）得出的恢复图像，也有差别，比如有的图像会偏黄，有的会偏红，甚至对某种特定的颜色会产生错误，比如分红色被恢复成紫色，总之不管其算法如何，都不可能完全恢复原始图像信息，另外由于三基色的色域小于自然色域，所以，即使通过最完美的算法，其恢复后的图像也要产生色彩失真，只是尽量接近原始图像而已，另外，为何有的算法（也称彩色矩阵）比较好，而其它公司为何不采用？这是因为每家开发的算法都申请了版权，别的公司必须付费后，才能使用，当然每家开发的算法，也会具有自己的特点，同时也能表现自己公司的开发能力吧

　　高清摄像机CCD技术特点

　　CCD 像素空间偏置 DSP 图像分辨力

　　当前，电视节目的制作领域正在快速地由标清向高清过渡，近三年来，越来越多的电视剧使用了高清拍摄，高清版用于中央电视台高清频道的播出及海外发行，下变换的标清版用于标清播出，获得了比用传统标清摄像机更清晰的图像效果和更好的色彩表现， 16:9 的画幅比也使视野更为理想。随着技术的发展，在高清的摄像机中应用了更多的新功能，为摄影师提供了更多表现手法的手段。另外，由于高清摄像机的图像质量非常接近胶片的图像，使得电影制作领域也在使用高清摄像机来拍摄，再通过磁转胶的方式在传统的影院放映，或者直接在数字影院放映。采用电子的拍摄手段减少了胶片的投入、直接回放缩短了拍摄周期、容易进行电脑特技制作等优势，大大降低了电影的制作成本。因此，一些专门设计的针对电影拍摄者功能需求的摄像机，如可以使用电影镜头、完全类似胶片摄影机的操作性能、以及对应胶片宽容度的伽玛曲线等特性，高清摄像机在电影界得到了广泛的应用。

　　随着高清应用的增多，有关高清概念的争论也越来越多，比如高清的格式、高清的跟焦、高清的景深、高清的压缩格式等等，与标清有明显不同的是有关 CCD 像素数量的区别引起了更多的关注，甚至出现了“真高清”与“假高清”的说法，例如对于常见的采用小于 200 万像素 CCD 的摄像机和 720/60p 或 720/50p 的高清格式被称为“假高清”。其实从隔行扫描的原理来看，由于运动物体及物理与视在并行等原因，其主观评价的清晰度只是总扫描线×隔行扫描系数 （ 约为 60%-70%） ，因此 1080i 的垂直清晰度与 720p 的垂直清晰度并无差别。

　　摄像机首先是要将光信号转换为电信号，光电转换器件的性能对摄像机的整体性能将产生决定性的影响。当前的摄像机都采用了 CCD 作为光电转换器件， CCD 的成像原理决定了图像进行光电转换时不是作为连续的电信号输出，而是直接转化为点阵图像单元，因此， CCD 输出的图像极限清晰度将与 CCD 的原始像素数密切相关，也就是说摄像机的最终图像分辨力与 CCD 的像素数密切相关。由于 CCD 技术的成熟度很高，在标清情况下， CCD 的像素数已高于理论上的标清分辨力极限。从数字化标准来看， Y 信号的取样点数不管是 NTSC 或者 PAL 均为每行 720 个点， PAL 制为 720 × 576 个取样点， NTSC 为 720 × 480 个取样点， PAL 制总有效像素为 414720，NTSC 制总有效像素为 345600， 而目前广播级的摄像机 CCD 的像素数都在 48 万像素以上 （ 画幅比可调的摄像机 16:9 模式为 60 万像素， 4:3 模式时为 48 万像素 ） ，其标称的模拟清晰度水平已达到了 700 线至 800 线，因此大家都不再去关心 CCD 的像素数，而某些更高像素的标清摄像机，由于格式的原因，也同样体现不出比 60 万像素摄像机的图像质量更高。对于高清的摄像机，在产品设计时， CCD 的像素数出现了 200 万、 150 万、 120 万等几种像素结构类型，而高清的格式不管是 50i 、 60i 、 30p 、 25p 、 24p 等何种帧频，其每帧画面的取样比均为 1920 × 1080 或 1280 × 720 （ 主要用于逐行格式 ） ，表面来看，显然小于 200 万像素 CCD 不能满足 1920 × 1080 高清格式的取样点数，因此很多人的注意力放在了 100 万像素 CCD 的摄像机上，认为这样的摄像机在记录格式为 50i/60i 时只能算作“假高清”，不能作为专业应用。而实际情况真是这样的吗？其实不然，主要原因是忽视了在 CCD 开发与生产中的一些特殊的技术与工艺。

　　在标清领域，大家忽略了一个问题，按照 CCD 的像素数量， PAL 制水平方向只有 768 个像素，换算成电视分辨力为 768 × 3/4 ＝ 576 电视线，因此水平清晰度不可能超过 600 线，可是多数摄像机的标称水平清晰度均已超过 700 线，有的甚至达到 850 线，什么原因呢？首先这是模拟分量输出的指标，数字输出由于其水平取样点为 720， 相当于 720 × 3/4 ＝ 540 电视线，其指标不应大于 540 线。那么，超过 700 线的水平分辨力是从哪里来的呢？在标清领域， CCD 技术广泛地采用了称为像素空间偏置 （Special Offset） 的设计与生产工艺，正是这种技术与工艺，有效地提高了图像分辨力和调制度指标 （ 已超过 80%） 。这种技术在高清领域的应用，产生了显著的效果，既平衡图像分辨力、灵敏度、动态范围、抗摩尔干扰等指标的关系，同时匹配了记录格式的特点，实现了高性价比，构成理想的组合。

　　下面，首先介绍一下像素偏置技术的原理。

　　上图是采用像素偏置技术对提高分辨力效果的示意图，被摄对象的频率反映的是图像的细节，当采用像素偏置技术时，绿色 CCD 和红蓝 CCD 将取得不同点的图像信息，经过 DSP 数字信号处理之后，就可以得到红色曲线的图像信息 （ 如物体有高于红线的细节信息则无法得到 ） ，而不采用像素偏置技术，则只能得到如蓝色曲线的图像信息，显然，实际输出的图像细节就少多了。在标清广播级摄像机中，目前基本上都采用了这种技术，所以标称水平分辨力都大于 750 电视线。

　　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扫描线数的限制，增加垂直方向的分辨力能力将没有意义。而在高清系统中，还有一种 CCD 采用了水平 / 垂直两个方向的像素偏置方法，其结构形式与效果如下图 ：

　　采用像素偏置的方法后，必须再通过 DSP 数字处理之后，才能真正达到提高分辨力水平的效果，其工作原理为：将 CCD 输出的 R 、 G 、 B 原始信号通过以下的处理，变换后的信号就包含了像素偏置而得到的高频率的图像信息。

　　计算方法为：将Ｒ、Ｇ、Ｂ信号分为低域成分Ｒ L 、Ｇ Ｌ 、Ｂ Ｌ 和高域成分Ｒ Ｈ 、Ｇ Ｈ 、Ｂ Ｈ ，进行下记演算 ：

　　Ｒ＝Ｒ L ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　Ｇ＝Ｇ Ｌ ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　Ｂ＝Ｂ Ｌ ＋ 0.5 （Ｇ Ｈ ＋Ｒ Ｈ ）

　　因此，虽然 CCD 在分辨力能力中起着主要的作用，但同样不能忽视 DSP 对分辨力的作用，两者极佳的配合决定了摄像机整体的分辨力水平。

　　从摄像机的工作原理来看，其基本性能与部件的关系如下表：

　　◎ ： 主要因素 ○ ： 次要因素

　　在开发高清摄像机时，面临了许多问题，首先就是 CCD 的技术，从像素来定义的高清格式来看，每帧图像的像素数是 1920 × 1080， 是标清摄像机的 4 倍，在同样尺寸的 CCD 面积上 （2/3 吋 ） 增加 4 倍数量的像素数，则每个像素的面积将减小很多， 2/3 吋 220 万像素 CCD 的每个像素的边长只有 5 μ m ，如果同样采用像素偏置技术，首先对 CCD 组装工艺就是一个挑战，其次是对像素读出技术和相应的 DSP 技术提出了更高的要求。因此，目前市场上的高清摄像机 CCD 就不全是采用像素偏置技术的。在小型摄像机系统中， CCD 的尺寸有 1/2 吋，或者更小的 1/3 吋，对于 1/3 吋 CCD 来说，如果制造多达 220 个万像素数，每个像素的面积太小，对灵敏度和动态范围的影响将会非常严重，因此， 1/3 吋 CCD 的像素数一般小于 100 万像素，主要有隔行方式的 100 万和逐行方式的 60 万像素两种，逐行系统有更好的灵敏度和动态范围。

　　在逐行扫描方式的 CCD 中，采用了被称为 A.P.T 的技术，就是 Advanced Progressive Technology ，其工作原理如下图所示。根据电视原理，每一场只读取 1080 行的一半，即 540 行，隔行扫描系统总扫描行数要乘以一个隔行扫描系数 （ 约 0.7） 才是实际的垂直清晰度， CCD 扫描系统在隔行工作模式下也一样。而在逐行系统中 CCD 是一直工作在逐行模式下，当这种 CCD 用于隔行系统的记录时， CCD 工作模式不变，每一场都是读取全部的垂直像素数 （720 行或 540 行 ） ，在 DSP 处理时，将 720 行 （ 或 540 行 ） 进行交叉变换为隔行系统所需要的每场 540 行 （ 每帧 1080 行 ） ，水平方向上，根据理论分析与实践中的测试结果，采用像素偏置后其分辨力为实际像素数的 1.5 倍。