图像传感器

CCD外形尺寸信息
相同分辨率条件下尺寸越大越好(感光好),比如: 佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36 x 24mm,面积达到35mm， 接近于35mm胶卷的感光面积,图像效果非常好.
CCD类型




因应不同种类的工作需求，业界发展出四 种不同类型的 CCD ： Linear 线性、 Interline扫瞄 全景 Full-Frame Frame-Transfer 全传
3 放大、数字化

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。
彩色CCD运行图
CCD象素合成
1.3 CCD工作原理
1

光能---〉电荷蓄积
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。
线性CCD和矩阵性CCD

线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它 每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描 仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高， 速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无 法使用闪光灯。(典型应用:扫描仪) 矩阵式CCD因为不是同点合成，其中包含 着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是 所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐 利。
Sample
UV/white transillumination
光学倍增管 （Photo Multiplier Tube/简称PMT）
常用 Electronic Image Sensor： CCD Charge Coupled Device (‎ 荷耦合器件) 电 PMT Photo Multiplier Tube(光学倍增管) CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补金属氧化物半导体) CIS Contact image Sensor(接触式图像传感器)
彩色CCD

应用色块网格（单板CCD）
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

从滤镜类型来分：原色CCD和补色CCD； 从感光单元形状和排列方式来分：普通 CCD和 超级CCD
CCD生产厂家

目前有能力生产 CCD 的公司分别为： SONY、Philps、Kodak、Matsushita、 Fuji、SANYO和Sharp，多半是日本厂商。
单反相机
单反就是指单透镜反光，即SLR（singleHale Waihona Puke Baidulens reflex），是 当今最流行的取景系统。
① 镜头组（天塞镜头） ② 可升降45度反射镜
③快门帘
④胶卷胶片或CCD或CMOS ⑤对焦屏 ⑥聚焦透镜
⑦五棱镜
⑧观景窗
旁轴相机
旁轴相机，也称为旁轴取景式相机，由于取景光轴位于摄影 镜头光轴旁边，而且彼此平行，因而取名“旁轴”相机。
优点：不需要五棱镜反射光线， 这样①减少了相机的厚度，
② 减轻了机震， ③ 可以使
单板彩色CCD的摩尔效应

上图左图为不带摩尔效应的原始图像，中 图为出现摩尔效应的图像，右图为使用 OLPF(光学低通滤波器)后的效果，可以看 出使用OLPF后虽然去除了摩尔效应，但图 像清晰度有一定的下降
3CCD

我们之前提到，传统传感器最难解决的便是色彩 干扰，摩尔纹成为严重影响照片品质的问题。通 常的解决办法是改善低通滤波镜的效果。但是即 便如此，也无法改变由于增加低通滤波镜所产生 的锐度下降。相比之下，使用X3传感器令这些问 题迎刃而解。
微型放大镜阵列

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。

1.2 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发展史






1969年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的SONY公司 也开始研究CCD。 1973年1月，SONY中研所发表第一个以96个图素并以线性感知的二次 元影像传感器〝8H*8V (64图素) FT方式三相CCD〞。 1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64V CCD研究成功了。 1976年8月，完成实验室第一支摄影机的开发。 1980年，SONY 发表全世界第一个商品化的CCD摄影机 (编号XC-1) 。 1981年，发表了28万个图素的 CCD (电子式稳定摄影机MABIKA)。 1983年，19万个图素的IT方式CCD量产成功。 1984年，发表了低污点高分辨率的CCD。 1987年，1/2 inch 25万图素的 CCD，在市面上销售。 同年，发表2/3 inch 38万图素的CCD，且在市面上销售。 1990年7月，诞生了全世界第一台 V8。
1.5 CCD的特性参数
CCD 色调范围

在准确地曝光下，CCD将比正片更能捕捉 到宽广的影像色调范围。一个普通的 CCD 可以记录 250：1（8级光圈）左右的高反 差场景。高文件的 FF CCD 系统则可处理 近1000：1的色调范围。
彩色CCD的界限解析度


界限解析度是对彩色CCD画面清晰度评价指标。 界限解析度会因个人的视觉差异而得出不同的数 值。 界限解析度跟CCD的光圈补正量、MONITOR的 辉度特性及个人差异有关。

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。
CCD的MIS结构及存储电荷原理
1.4 特殊类型CCD
Super HAD CCD


1、比普通CCD多了一 个聚光透镜，这个目 的是增加采光量 2、增大感光点的受光 面积，这可以增强物 体反射进入CCD像素 点的色彩和亮度。这 样各种色彩被CCD解 吸的亮度就更强,其结 果就是低照度效果更 好了，色彩更鲜艳真 实了
图像传感器
Imaging Sensor
(Electronic Image Sensor)
成像系统组成
CCD Camera
Filters
Lens
Filter
PMT
Laser Scan head
UV/white UV/white epi illumination Epi illumination
Sample
2 电荷转移

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
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。
用镜间快门实现闪光全同步。
缺点：旁轴有视差，而单反是
所见必所得。旁轴是想好了拍，
单反是看准了拍。
CCD外形尺寸规格

传统 4：3 的规格走向 16：9 /16：10 更宽广的界线。然而，大多数 DSC 消费型数字相机的 CCD 长宽比，依然沿袭 1950 年代电视规格标 准刚制订时 4：3的标准（3：2主要仍为 DSLR 数字单反相机所采用， 另外中片幅、专业数字机享有1：1之正方形特殊规格）。主要是这方面 设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。
CCD背景介绍
W.S.Boyle与G.E.Smith (美国贝尔实验室, 2009年 获诺贝尔物理奖)
CCD通用外形

为摄像系统中可记录光线变化的半导体， 通常市面所见外形如下图，通常以百万像 素〈megapixel〉 为单位。
CCD的分类

从信号传输方式上分：全帧传输CCD、隔 行传输CCD两种；
一、CCD
（Charge Coupled Device）
电 ‎ 荷耦合器件
1.1 CCD简介：


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。 CCD是一种半导体器件，能够把光学影 像转化为数字信号。 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，但它是把图像像素转换成数字 信号。CCD上有许多排列整齐的电容 (MIS 结构)，能感应光线，并将影像转 变成数字信号。经由外部电路的控制， 每个小电容能将其所带的电荷转给它相 邻的电容。
彩色CCD的界限解析度的评价图形
彩色CCD界限解析度计算一
1.调整解析度测试图后，摄取测试图影像。 2.调整镜头焦距直到可读取测试图上的楔形 最大值的影像为止。 3.调整彩色CCD的白平衡（white balance) 4.调整示波器的同步化，直到可line select如 图（a）的楔形部份影像为止。 5.针对测试图进行line select 200TV量测如图 （b）所示的4 条楔形的宽度d1（μ s）。 6.接着针对测试图进行line select 300TV量测 如图（b）所示的4 条楔形的宽度d2（μ s）。
CCD结构
CCD 的三层结构： 上：增光镜片、 中：色块网格 下：感应线路
CCD结构
感光二极管（Photodiode）
并行信号寄存器（Shift Register） -用于暂时储存感光后产生的电荷 串行信号寄存器（Transfer Register） -用于暂时储存并行寄存器的模拟信号 并将电荷转移放大 信号放大器-用于放大微弱电信号 数摸转换器-将放大的电信号转换 成数字信号