CCD摄像机原理

CCD摄像机原理

2010-6-23 13:11:26

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一、摄像机的初步认识

1. 是摄像机？

是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。

2. 摄像机的工作方式被摄物体的图像经过镜头聚焦至芯片上，根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

3. 分辨率的选择评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其单位为线对，即成像后可以分辨的黑白线对的数目。

常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600，彩色为330-480，其数值越大成像越清晰。一般的监视场合，用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合，用600线的摄像机能得到更清晰的图像。

4. 成像灵敏度通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度，黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯)，彩色摄像机多在1Lux以上。0.1Lux的摄像机用于普通的监视场合；在夜间使用或环境光线较弱时，推荐使用0.02Lux的摄像机。与近红外灯配合使用时，也必须使用低照度的摄像机。另外摄像机的灵敏度还与镜头有关，0.97Lux/F0.75相当于2.5Lux/F1.2相当于3.4Lux/F1.参考环境照度：夏日阳光下100000Lux ，阴天室外10000Lux ，电视台演播室

1000Lux ，距60W台灯60cm桌面300Lux ，室内日光灯

100Lux，黄昏室内10Lux ，20cm处烛光10-15Lux ，夜间路灯 0.1Lux。

5. 电子快门电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间，摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式，可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的图像。有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊应用场合。

6. 外同步与外触发外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了实现外同步，需要给摄像机输入一个复合同步信号(C-sync)或复合视频信号。外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像，要实现这种功能，必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。

7. 光谱响应特性器件由硅材料制成，对近红外比较敏感，光谱响应可延伸至1.0um左右。其响应峰值为绿光(550nm)。夜间隐蔽监视时，可以用近红外灯照明，人眼看不清环境情况，在监视器上却可以清晰成像。由于传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以

对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、蓝三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。

8. 芯片的尺寸的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等，成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。芯片规格成像面大小(宽X高) 对角线1/2 6.4x4.8mm 8mm 1/3 4.8x3.6mm 6mm

二、摄像机的分类

安全防范系统中，图像的生成当前主要是来自摄像机,是电荷耦合器件（charge coupled deice）的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储的电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像机元件，以其构成的摄像机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。

摄像机大致可分为下列几大类：

1、依成像色彩划分

(1)彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。因有颜色而使信息量增大，信息量一般认为是黑白摄像机的10倍。

(2)黑白摄像机：是用于光线不足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用分辨率通

常高于彩色摄像机的黑白摄像机。

依摄像机分辨率划分

(1)影像像素在25万像素（pixel）左右、彩色分辨率为330线、黑白分辨率在420线左右的低档型。

(2)影像像素在25万~38万之间、彩色分辨率为420线、黑白分辨率在500线左右的中档型

(3)影像在38万点以上、彩色分辨率大于或等于480线、黑白分辨率在570线以上的高分辨率。

2、依摄像机灵敏度划分

(1)普通型：正常工作所需照度为1~3Lux

(2)月光型：正常工作所需照度为0.1 Lux左右

(3)星光型：正常工作所需照度为0.01 Lux以下

(4)红外照明型：原则上可以为零照度，采用红外光源成像。

3、按摄像元件的靶面的大小划分

(1)l inch 靶面尺寸为宽12.7mmX高9.6mm,对角线16mm

(2)2/3inch靶面尺寸为宽8.8mmX高6.6mm,对角线11mm

(3)1/2inch靶面尺寸为宽6.4mmX高4.8mm,对角线8mm

(4)1/3inch靶面尺寸为宽4.8mmX高3.6mm,对角线6mm

(5)1/4inch靶面尺寸为宽3.2mmX高2.4mm,对角线4mm

此外摄像机有PAL制和NTSC制之分，还可以按图像信号处理方式划分或按摄像机结构区分。

三、的安装和调整

镜头的安装方式：有C式和CS式两种，两者的螺纹均为1英寸32牙，直径为1英寸，差别是镜头距靶面的距离不同，C式安装座从基准面到焦点的距离为17.562毫米，比CS式距离靶面多一个专用接圈的长度，CS式距焦点距离为12.5毫米。别小看这一个接圈，如果没有它，镜头与摄像头就不能正常聚焦，图象变得模糊不清。所以在安装镜头前，先看一看摄像头和镜头是不是同一种接口方式，如果不是，就需要根据具体情况增减接圈。有的摄像头不用接圈，而采用后像调节环（如松下产品），调节时，用螺丝刀拧松调节环上的螺丝，转动调节环，此时靶面会相对安装基座向后（前）运动，也起到接圈的作用。另外（如SONY，JVC）采用的方式类似后像调节环，它的固定螺丝一般在摄像机的侧面。拧松后，调节顶端的一个齿轮，也可以使图象清晰而不用加减接圈。

1、 AGC ON/OFF（自动增益控制）：摄像头内有一个将来自的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大即增益，等效于有较高的灵敏度，然而在亮光照的环境下放大器将过载，使视频信号畸变。当开关在ON时，在低亮度条件下完全打开镜头光圈，自动增加增益以获得清晰的图象。开关在OFF时，在低亮度下可获得自然而低噪声的图像。

2、 ATW ON/OFF（自动白平衡）：开关拨到ON时，通过镜头来检测光源的特性/色温，从而自动连续设定白电平，即使特性/色温改变也能控制红色和蓝色信号的增益。

3、 ALC/ELC（自动亮度控制/电子亮度控制）：当选择ELC时，电子快门根据射入的光线亮度而连续自动改变图像传感器的曝光时间（一般从1/50到1/10000秒连续调节）。选择这种方式时，可以用固定或手动光圈镜头替代ALC自动光圈镜头。?

需要注意的是：在室外或明亮的环境下，由于ELC控制范围有限，还是应该选择ALC式镜头；在某些独特的照明条件下，可能出现下列情况：

① 在聚光灯或窗户等高亮度物体上有强烈的拖尾或模糊现象。

② 图象显著地闪烁和色彩重现性不稳定。