CCD相機

CCD

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上有許多排列整齊的電容，能感應光線，並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。作為一種光數轉化元件，CCD相機已被廣泛應用。 ^[1] 

(1)MV彩色CCD相機：適用於景物細部辨別，如辨別衣着或景物的顏色。因有顏色而使信息量增大，信息量一般認為是黑白CCD相機的10倍。

(2)MV黑白CCD相機：是用於光線不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，可選用分辨率通常高於彩色CCD相機中的黑白CCD相機。

(1)影像像素在25萬像素（pixel）左右、彩色分辨率為330線、黑白分辨率400線左右的低檔型。

(2)影像像素在25萬~38萬之間、彩色分辨率為420線、黑白分辨率在500線上下的中檔型

(3)影像在38萬點以上、彩色分辨率大於或等於480線、黑白分辨率，600線以上的高分辨率。

(1)普通型：正常工作所需照度為1~31x

(2)月光型：正常工作所需照度為0.1x左右

(3)星光型：正常工作所需照度為0.01x以下

(4)紅外照明型：原則上可以為零照度，採用紅外光源成像。

(1)1in靶面尺寸為寬12.7mmX高9.6mm,對角線16mm

(2)2/3in靶面尺寸為寬8.8mmX高6.6mm,對角線11mm

(3)1/2in靶面尺寸為寬6.4mmX高4.8mm,對角線8mm

(4)1/3in靶面尺寸為寬4.8mmX高3.6mm,對角線6mm

(5)1/4in靶面尺寸為寬3.2mmX高2.4mm,對角線4mm

(6)1/5in正在開發之中，尚未推出正式產品

此外CCD相機有PAL制和NTSC制之分，還可以按圖像信號處理方式劃分或按CCD相機結構區分。

含格狀排列像素的CCD應用於數碼相機、光學掃描儀與攝影機的感光組件。其光效率可達70%（能捕捉到70%的入射光），優於傳統軟片的2%，因此CCD迅速獲得天文學家的大量採用。

傳真機所用的線性CCD

圖像經透鏡成像於電容數組表面後，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則一次捕捉一整張圖像，或從中截取一塊方形的區域。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，到達邊緣最後一個單元時，電信號傳入放大器，轉變成電位。如此周著復始，直到整個圖像都轉成電位，取樣並數字化之後存入存儲器。存儲的圖像可以傳送到打印機、存儲設備或顯示屏。經冷凍的CCD同時在1990年代初亦廣泛應用於天文攝影與各種夜視設備，而各大型天文台亦不斷研發高像素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，所以派生出紅外線圖像、夜視設備、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，因室温下的物體會有紅外線的黑體輻射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備CCD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。降低温度可減少電容數組上的暗電流，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）。

CCD相機與CMOS相機的區別

1. 成像過程的區別

CCD與CMOS圖像傳感器光電轉換的原理相同，他們最主要的差別在於信號的讀出過程不同；由於CCD僅有一個（或少數幾個）輸出節點統一讀出，其信號輸出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每個像素都有各自的信號放大器，各自進行電荷-電壓的轉換，其信號輸出的一致性較差。但是CCD為了讀出整幅圖像信號，要求輸出放大器的信號帶寬較寬，而在CMOS 芯片中，每個像元中的放大器的帶寬要求較低，大大降低了芯片的功耗，這就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。儘管降低了功耗，但是數以百萬的放大器的不一致性卻帶來了更高的固定噪聲，這又是CMOS相對CCD的固有劣勢。

2. 集成性的區別

從製造工藝的角度看，CCD中電路和器件是集成在半導體單晶材料上，工藝較複雜，世界上只有少數幾家廠商能夠生產CCD晶元。CCD僅能輸出模擬電信號，需要後續的地址譯碼器、模擬轉換器、圖像信號處理器處理，並且還需要提供三組不同電壓的電源同步時鐘控制電路，集成度非常低。而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的半導體材料上，這種工藝與生產數以萬計的計算機芯片和存儲設備等半導體集成電路的工藝相同，因此生產CMOS的成本相對CCD低很多。同時CMOS芯片能將圖像信號放大器、信號讀取電路、A/D轉換電路、圖像信號處理器及控制器等集成到一塊芯片上，只需一塊芯片就可以實現相機的的所有基本功能，集成度很高，芯片級相機概念就是從這產生的。隨着CMOS成像技術的不斷髮展，有越來越多的公司可以提供高品質的CMOS成像芯片。

3. 速度的區別

CCD採用逐個光敏輸出，只能按照規定的程序輸出，速度較慢。CMOS有多個電荷-電壓轉換器和行列開關控制，讀出速度快很多，大部分500fps以上的高速相機都是CMOS相機。此外CMOS 的地址選通開關可以隨機採樣，實現子窗口輸出，在僅輸出子窗口圖像時可以獲得更高的速度。

4. 噪聲的區別

CCD技術發展較早，比較成熟，採用PN結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質量相對CMOS光電傳感器有一定優勢。