CCD工作原理教程(V1.2)
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CCD的ADC 转换电压至数字讯号示 意图
ADC 转换电压至数字讯号示意图 ： 此 ADC 为8位处理器 可以将电压讯号分成 256（0～255） 个位阶判读 ADC 位数的多寡将决定画质的精细程度，目前 SONY 量 产 14位之ADC，多数的数字相机都可达到 12位以上
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。
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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工作方式二
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CCD的工作原理
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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。
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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通用外形
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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。
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黑白CCD的组成结构图
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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
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彩色CCD运行图
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CCD画素多寡与尺寸大小没有绝对关系
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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 数字单眼机身所采用，另中片幅、专业数字机背享 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。
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CMOS图像传感器简介
ＣＭＯＳ 英文全名 Complementary MetalOxide Semiconductor，互补性氧化金属半导 体
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CMOS Image Sensor外形
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CMOS发展史
1989年，CMOS图像传感开始研制出来。 1990年，CMOS专用的DSP研发成功 2002年，CMOS的C3D（ＣＭＯＳ Ｃｏｌｏｒ Ｃａｐｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）技术应用
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。
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CCD外形尺寸信息
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原理篇
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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
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CCD图像传感器简介
ＣＣＤ（Charge Coupled Device ，感 光耦合组件简称）
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CCD IMAGE SENSOR外形
未经许可，不得随意拷贝和转发
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。
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。
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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。 未经许可，不得随意拷贝和转发
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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； 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
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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，泰半是日本厂商。
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CCD分辨率
指的就是ＣＣＤ中有多少像素，也 就是指这台数字相机的ＣＣＤ上有 多少感光组件。
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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。
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Linear 纯线性
线型CCD是以一维感光点构成，透过步进马 达扫瞄图像，由于照片是一行行组成，所以 速度较使用 2维CCD的数字相机来得慢。这 型CCD 大多用于平台式扫描仪之上。
源自文库
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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。
图像传感器原理介绍
（CCD和CMOS介绍）
Ver. 1.2 2006.03.02 Prepared By Kency Zeng
2017/6/17
Confidential
1
基础篇
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Image Sensor的分类
Image Sensor的分类有两种： 1.CCD图像传感器 2.CMOS图像传感器
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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。
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。
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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。
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CCD的ADC 转换电压至数字讯号示 意图
ADC 转换电压至数字讯号示意图 ： 此 ADC 为8位处理器 可以将电压讯号分成 256（0～255） 个位阶判读 ADC 位数的多寡将决定画质的精细程度，目前 SONY 量 产 14位之ADC，多数的数字相机都可达到 12位以上
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。
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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工作方式二
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CCD的工作原理
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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。
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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通用外形
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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。
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黑白CCD的组成结构图
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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
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CCD画素多寡与尺寸大小没有绝对关系
未经许可，不得随意拷贝和转发
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 数字单眼机身所采用，另中片幅、专业数字机背享 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。
未经许可，不得随意拷贝和转发
CMOS图像传感器简介
ＣＭＯＳ 英文全名 Complementary MetalOxide Semiconductor，互补性氧化金属半导 体
未经许可，不得随意拷贝和转发
CMOS Image Sensor外形
未经许可，不得随意拷贝和转发
CMOS发展史
1989年，CMOS图像传感开始研制出来。 1990年，CMOS专用的DSP研发成功 2002年，CMOS的C3D（ＣＭＯＳ Ｃｏｌｏｒ Ｃａｐｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）技术应用
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。
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CCD外形尺寸信息
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原理篇
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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
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CCD图像传感器简介
ＣＣＤ（Charge Coupled Device ，感 光耦合组件简称）
未经许可，不得随意拷贝和转发
CCD IMAGE SENSOR外形
未经许可，不得随意拷贝和转发
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。
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。
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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。 未经许可，不得随意拷贝和转发
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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； 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
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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，泰半是日本厂商。
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CCD分辨率
指的就是ＣＣＤ中有多少像素，也 就是指这台数字相机的ＣＣＤ上有 多少感光组件。
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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。
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Linear 纯线性
线型CCD是以一维感光点构成，透过步进马 达扫瞄图像，由于照片是一行行组成，所以 速度较使用 2维CCD的数字相机来得慢。这 型CCD 大多用于平台式扫描仪之上。
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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。
图像传感器原理介绍
（CCD和CMOS介绍）
Ver. 1.2 2006.03.02 Prepared By Kency Zeng
2017/6/17
Confidential
1
基础篇
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Image Sensor的分类
Image Sensor的分类有两种： 1.CCD图像传感器 2.CMOS图像传感器
未经许可，不得随意拷贝和转发
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。
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。
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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。
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