CCD第五章

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CCD工作方式二
图左：阶段一，CCD 接受光线的照射产生电荷 / 图右：阶段二，外加电压将CCD 所 『产生』的电荷移往缓冲区 图左：阶段三，电荷转换成电压，电压经 ADC 判读数字讯号 / 图右：阶段四，依顺序 将讯号移往缓冲区组合
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CCD的工作原理
• CCD的结构就象一排排输送带上并排放满了小桶，光线就象雨滴撒入各个小桶， 每个小桶就是一个像素。按下快门拍照的过程，就是按一定的顺序测量一下 某一短暂的时间间隔中，小桶中落进了多少“光滴”，并记在文件中。一般 的CCD每原色的光度用8位来记录，即其小桶上的刻度有8格，也有的是10位 甚至12位，10位或12位的CCD在记录色彩时可以更精确，尤其是在光线比较 暗时。早期的CCD是隔行扫描的，同一时刻，每两行小桶，只有一行被测量， 这样可以提高快门速度，但图像精度大为降低。 随着技术的进步，人们已能 让CCD记录在几十分之一秒，甚至几千分之一秒的时间里，落进各个“小桶” 的“光滴”的量，所以，新的CCD一般都是逐行扫描的。
CCD ISO 感光能力—定义
• 使用 CCD 作为感光组件，无法像传统相机 一样选择底片来换成较高（ISO 1600）或较 低（ISO 50）的感光能力。新技术的进步， 让 CCD可以拥有美高感度底片之 ISO 1600 的感光能力。
CCD ISO 感光能力—提高途径
• CCD 提高 ISO 的能力通常分为硬体和软件处 理上的设计，例如：简化来自特定区域 CCD 上的画素信号来提高 ISO 表现（因为CCD无 法在物理上增大感光面积，只好联合矩阵 在处理上『仿真』大感光面积的方式，所 以ISO 越高就必须相对的降低分辨率 - 见下 图），但这也相对的降低了影像的色调范 围。而软件处理则是根据数据运算，取得 合理的曝光表现，但通常也会伴随着噪声 的产生。
CCD工作方式 三
• 曝光之后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位缓 存器中，并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取 出来。这些强弱不一的电荷讯号，会先被送入一个 QV（Electron to voltage converte）之中，将电荷转换 成电压；下一步再将电压送入放大器中进一步放大， 然后才是 A/D 模拟数字讯号转换器（ADC Analog to Digital Converter）。ADC转换器能将信号的连续范围 配合色块码赛克的分布，转换成一个2D的平面表示 列，它让每个画素都有一个色调值，应用这个方法， 再由点组成网格，每一个点（画素）现在都有用以表 示它所接受的光量的二进制数据，可以显示强弱大小， 最终再整合影像输出。
全景Full-Frame
• 全像 CCD 则是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL 的缺点， FF改良可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增 大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 FF CCD的 数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头入 射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门（无法 使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了FF CCD的连续拍摄能 力。Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。
彩色CCD的插值
彩色CCD在分色计算程序过程中，如果一张数字图片的色彩只有 25％的红色和 蓝色与 50％的绿色，这三个素材迭合起来的完成图无法成彩色画面，为了补强色 彩不足的部份，CCD 取样完成后，影像处理引擎必须进入『插值 Interpolation』 工作阶段，将不足的 75％的红色与蓝色和另外50％的绿色，透过『数据计算』 的方式『加』进影像档案之中，使其构成完整各 100％的 RGB 三原色档案，最 终合成为一数字照片。
Interline Transfer 扫瞄型
• CCD 的曝光步骤就如同前面所介绍的相同， IL 型 CCD 的优点在于曝光后即可将电荷储 存于缓存器中，组件可以继续拍摄下一张 照片，因此速度较快，目前的反应速度以 已经可达每秒 15张以上。相对性的缺点则 是暂存区占据了部份感光面积，因此动态 范围（Dynamic Range - 系统最亮与最暗之 间差距所能表现的程度）较小。不过，由 于速度快、成本低，市面上超过 8 成以上 的数字相机都采用 IL 型 CCD 为感光组件
彩色CCD的补色原理
• 补色CCD由多了一个 Y 黄色滤色器，在色彩的 分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像分辨 率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的 感度，一般都可设定在 800以上。
彩色CCD的感光层
这层主要是负责将穿透滤色层的光 源转换成电子讯号，并将讯号传送 到影像处理芯片，将影像还原。 这个部份可以说是 CCD 真正核心 的部份，主要的 CCD 设计大致上 分成几个区块。被称为画素 Pixel （Photodiodes）感光二极管，主 要是应用于光线感应部份，Gate 区有一部份被用作电子快门，蓝色 区块则是布局为电荷通路，用来传 导电荷之用。白色区块就是 Charge Drain，也有称为 Shielded Shift Registers ，中文或可翻为电 荷储存区，主要功用为收集经二极 管照射光线后所产生之电荷。
彩色CCD的组成结构分图
• CCD 的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格 下：感应线路
• 由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的 电子线路矩阵所组成
彩色CCD运行图
彩色CCD运行图说明
• 是1980年初，由SONY领先发展出来的技术。 这是 为了有效提升CCD 的总画素，又要确保单一画素 持续缩小以维持CCD的标准体积。因此，必须扩 展单一画素的受光面积。但利用提高开口率来增 加受光面积，反而使画质变差。所以，开口率只 能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣品。为 改善这个问题 SONY率先在每一感光二极管上（单 一画素）装置微小镜片。这个设计就像是帮CCD 挂上眼镜一样，感光面积不再因为传感器的开口 面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。 如此一来，可以同时兼顾单一画素的大小，又可 在规格上提高了开口率，使感光度大幅提升。
Frame-Transfer 全传
• 全传 CCD 的架构则是介于 IL 和 FF 之间的产品，它分成两个部分上半 部分是感光区，下半部则是暂时存储区。整体来说 Frame-Transfer CCD 非常的类似 Full-Frame CCD，它的特点在于直接规划了一个大型暂存 区。一旦FT CCD 运作，它可以迅速将电荷转移到下方的暂存区中，本 身则可以继续曝光拍照。这个设计，让FT 同IL 一样可以使用电子快门， 但同时也可增加感光面积和速度。FT CCD 主要是由 荷兰 Philips 公司 开发，后来技术移转给 SANYO 公司发展成 VPMIX 技术。三洋对 VPMIX 的改良相当成功，使它的数字相机能兼具静态和动画的拍摄能 力（可达 30 fps 的拍摄速度 - 在动画运用上非常出色）。此外，FT 型 CMOS 也被应用于 Fill factor CMOS，作为提高高阶 SLR 连拍能力的设 计。
CCD工作方式一
• 分解CCD 结构可以发现，为了帮助 CCD 能够组合 呈彩色影像，网格被发展成具有规则排列的色彩 矩阵，这些网格以红R、绿G和蓝B滤镜片所组成 （三原色CCD），亦有补色CCD （为CMYG .. Y黄 色）。每一个CCD组件由上百万个 MOS电容所构 成（光点的多寡端看CCD 的画素而定）。当数字 相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些马赛 克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电子 〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压， 这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅 层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接 收的光量成正比。在一个影像最明亮的部位，可 能有超过10万个电子被积存起来。
CCD图像传感器
CCD的组成结构
• CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对 视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜 是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应 的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经 过长达35年的发展，大致的形状和运作方 式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类 似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底 下的电子线路矩阵所组成。
CCD ISO 感光能力—决定因素
• CCD倒车摄像机最大的ISO值主要是取决于 最低的可接受的信噪比（S/N）。克服 S/N 的最大关键乃是位于 CCD 组件中的『电极 暗电流 - Black level』电荷。
CCD ISO 感光能力—电极暗电流定义
• 暗电流是指在没有入射光的情况下CCD所仍 具有之电荷量，理想的CCD其暗电流应该是 零，但部分游离电荷会残存在电极之间， 导致没有光线下CCD还是『感应』到些许的 『电荷』存在，形成了『看到了』的杂像！
彩色CCD混色（RGB色）原理
CCD的第二层是『分色滤色片』，这个部份的作用主要是帮助 CCD 具备色彩 辨识的能力。回到源头，CCD 本身仅是光与电感应器，透过分色滤片，CCD 可以分开感应不同光线的『成分』，从而在最后影响处理器还原回原始色彩。
彩色CCD的原色原理
• 目前CCD有两种分色方式：一是 RGB 原色分色法， 另一个则是 CMYG补色分色法，这两种方法各有利 弊，过去原色和补色CCD的产量比例约在 2：1左右， 2003年后由于影像处理引擎的技术和效率进步，目 前超过 80％都是原色 CCD 的天下。
彩色CCD的分色原理
以 GRGB 原色色彩数组来说，R 色滤光片其实内部包含了『洋红』与『黄』两 种色调的滤片，透过补色机制（见下图），使其底部的感光区可以感受到『红』 色的光线（上图左）；相对地，补色 CCD（上图右），同学们可以发现，其中 只有一层染料色片，例如 ：Y 黄色，就阻挡了蓝光的进入，由红绿两光形成红 色色块，也因此补色CCD 可以吸收更多的光线，其感光能力也比原色 CCD 强 得多，但处理起来因为还是要还原成 RGB 系，对于影像处理引擎的负担较为沉 重。
全帧传输CCD和隔行传输CCD的工作原理