监控摄像头 监控设备使用及维修.docx

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监控摄像头监控设备使用及维修

在闭路电视监控系统中，监控摄像头是获取监视现场图像的最基本前端设备，因而如何

在一个实际的电视监控系统中正确地选择、使用监控摄像头，以及如何正确地设置、调整摄

像机的基本参数，对整个系统来说是十分重要的，而了解监控摄像头的原理又是选择、使用、

设置、调整与维修监控摄像头的前提。

特别是，如果系统中的监控摄像头出现故障，监视现场的图像便不能正确地获取及传输，那么如果能够在现场对监控摄像头进行必要的检测、判断故

障的原因，并进行某种应急处理，其重要性则是不言而喻的了。

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2．1图像传感器

图像传感器是监控摄像头的核心部件，无论是传统监控摄像头还是网络，都需要在摄

像机光学镜头后的成像面位置放置图像传感器，使监视现场的景物能够在图像传感器的

靶面上成像，并从传感器输出反映监视现场图像内容的实时电信号，这个电信号经摄像

机内部其他部分电路的处理后，才可形成可在监视器上显示或被录像机记录的视频信号。

电视监控系统中的主流监控摄像头均是采用CCD图像传感器。

它具有分辨率高、灵敏度

高、信噪比高、动态范围宽等诸多优点，但由于生产工艺要求高，因此成本也高。

近年

来，CMOS图像传感器的主要技术指标已经接近甚至超过CCD图像传感器，而其体积小、

集成度高、功耗低等诸多优点则是ccD图像传感器所无法比拟的，鉴于CMOS图像传感

器的高端应用已经开始用于广播电视领域的高清晰度（HDV）监控摄像头以及民用摄录一体

机，因而不难预测，基于CMOS图像传感器的监控监控摄像头将很快进入电视监控市场。

2．1-1CCD图像传感器

CCD（（~'harge（~oupled【）evice）称为电荷耦合器件，从结构上看，它是由一行行紧密

排列在硅衬底上的MOS电容器构成。

这些MOS电容器分单元（分组）排列，每个单元

通常由4～8个MOS电容器组成，并引出各自的电极连接到不同的时钟线上，从而构成

了CC[）的主体；再加上输入二极管、输人栅、输出栅和输出二极管，就组成了电荷的输

入输出机构。

为了增加电荷浓度，通常还要在CCD有源区的周围注人过量的三价或五价

元素。

因此，当有光照射到CCD单元阵列（呈线阵或面阵排列）时，阵列中的各MOS

单元就会产生大量的电子-空穴对，并分列于各MOS电容器的等效极板上。

这些根据光

照强度变化而成比例地产生的电荷会在时钟脉冲驱动下逐级耦合（即电荷在各MOS电容

器之间进行转移），并从单元上的输出二极管输出，形成反映光照强度的电信号。

线阵排列的CCD图像传感器通常用于扫描仪和传真机等慢扫描设备上，它会在机械

扫描（线阵CCD图像传感器与平面图像作横向相对运动）的过程中，一行一行地对平面

图像的每一个微小的矩形区域（即像素）进行感光，从面将不同小矩形区域的平均灰度

转换为与该区域灰度值成比例的电信号，以一定格式存储并编码输出。

面阵排列的CCl-）图像传感器则用于摄像器件上。

它实际

上是把通过光学镜头形成在CCI）靶面上的光像（表现为光照

强度随空间分布的变化，也即（2CD靶面上每一个像素点的亮

度并不完全一样）转换成随时间变化的电信号（以时间轴为

基准，cCD图像传感器在不同时刻输出的电压值是不同的）。

这个电信号在监控摄像头内经进一步的整形处理后（例如，对其

幅度进行规范并添加上行、场同步以及行、场消隐等信息，对

彩色监控摄像头还需要添加色同步信息），即形成了可供监视器接

收并显示图像的视频信号。

图2—1示出了面阵CCD图像传感

器的外观，其中心部分即是CCD的感光靶面。

2．1．2CCD图像传感器的特性

图2一l面阵（]CD图像

传感器的外观

在闭路电视监控系统的设计与施工中，根据监视现场的实

际情况来正确选配并调整监控摄像头是非常重要的一环，而ccD图像传感器又是监控摄像头的核

心，因此只有充分了解CCD图像传感器的特性，才能够针对监视现场的具体情况及用户

实际需求正确地配置性价比合适的监控摄像头，并通过精心调整而使监控摄像头工作于最佳状态。

CCD图像传感器的特性一般包括光谱特性、分辨率、暗电流、灵敏度和动态范围等。

1．光谱特性

光谱特性是图像传感器的最重要特性之一。

图2—2给出了两种不同结构的ccD图像

传感器的光谱特性。

由图可见，

ccD图像传感器的感光光谱范围

覆盖了可见光区域和红外光区域。

因此，它除了能够对可见光成像

外，还可以对红外光成像。

这就

是说，即使在夜间无可见光照明

的情况下，用辅助红外光源照明，

也可使ccD图像传感器清晰地成

像。

特别是，对于高灵敏度的黑

白CCD监控摄像头来说，由于人体自

身会向外辐射微弱的红外光（因

为人体是有温度的），因而不需要

魁

《

嗽

靛

罂

波长／”

图2-2CCD图像传感器的光谱特性

辅助红外光源照明，CC[）图像传感器也可以对人体发出的红外光感光，这也是某些所谓

“人体透视”监控摄像头的成像原理，即用滤光片将可见光部分滤除，而仅使人体发出的红外

光透过镜头并成像。

2．分辨率

分辨率也是CCD图像传感器的最重要特性之一，一般用器件的调制转移函数

（MTF’）表示，而MTF与成像在CCD图像传感器上的光像的空间频率（线对／mm）有

关。

这里，线对是指两个相邻的光强度最大值之间的间隔，它与后面将要介绍的CCD摄

像机的分辨率定义是不一样的。

3．暗电流

图像传感器的暗电流起因于半导体器件因热激发产生的电子-空穴对。

光信号电荷的

积累时间越长，其影响越大。

CcD本身的缺陷是暗电流产生的主要原因，而且这种器件

本身的缺陷还使得暗电流的产生也不均匀，表现为在CCD处于非光照环境下也会产生固

定的图形（由于CCD靶面上没有光像，理论上是不应该有图形的）。

暗电流的大小与温

度的关系极为密切，温度每降低10~C，暗电流约减小一半。

4．灵敏度

ccD的灵敏度一般用最低照度来表示，灵敏度高，则意味着使CCD感光成像所需的

照度就低，也说是说“有点儿光就能成像”。

照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量。

照度

的单位是每平方米的流明（1m）数，也叫做勒克斯（1x）

1lx：

11m／m。

上式中，lm是光通量的单位，其定义是纯铂在熔化温度（约1770~C）时，其l／60cm。

的

表面面积于l球面度的立体角内所辐射的光量。

为对照度的量值有一个感性的认识，下面举一个例子进行计算。

一只100W的白炽

灯泡，发出的总光通量约为1200lm，若假定该光通量均匀地分布在一个半球面上，则距

该光源lm处和5m处的光照度值可分别按下列步骤求得

半径为1m的半球面积为

2,rr×1。

=6．28m。

距光源1m处的光照度值为

1200lnl／／6．28m。

=191lx

同理，半径为5m的半球面积为

2盯×5。

：

157m。

距光源5m处的光照度值为

1200lrn／157m。

：

7．64lx

可见，从点光源发出的光照度是遵守二次方反比律的。

由此不难推论：

对于白天室

外或大多数室内监视的场合，由于整个监视视场的光照度比较均匀，对监视效果不会有

任何影响；而一旦夜间以灯光照明，那么光源与被监视场景的距离就显得十分重要了，

距离稍远一些，被监视场景的光照度就会以二次方反比规律明显下降，以至于不能使

（]CI）图像传感器正常感光而影响监视效果。

需要说明的是，装饰射灯内部有反射面，聚

光灯内部有会聚性更强的抛物反射面，因而它们在主照射方向上的光强度远比同功率的

泛光灯强，但在非照射方向的光强度则很弱。

5．动态范围

ccD图像传感器的动态范围是指传感器把最小光量到最大光量产生的信号电荷成比

例地收集到势阱内的能力，这里所说的势阱可近似理解为前述MOS电容器的下极板，它

具有存储并转移电荷的能力。

因此，若CCD图像传感器的动态范围宽，即是要求该传感

器既可以在低照度时有效地收集信号电荷，又可以保证在高照度时收集的大量信号电荷

不溢出。

因此，CCD图像传感器的动态范围取决于势阱能收集的最大电荷量与由噪声确

定的最小电荷量之差，并通常用其对数来衡量。

例如，日本松下公司在其CCD监控摄像头中应用的第二代超动态技术（super‘Dynamic：

II）可使该监控摄像头的动态范围扩展80倍（相当

于38dB），而日本欧姆龙公司生产的一款CMOS监控摄像头的动态范围则高达160dB。

6．噪声

（：

CD图像传感器的噪声源主要包括：

电荷注人器件时产生的噪声、电荷转移时因电

荷量波动产生的噪声、电荷读出时的噪声等，另外还有光子噪声、胖零（fatzero）噪声、

陷阱噪声、输出噪声和暗电流噪声等。

其中，因为光子过程是随机过程，所以势阱里收

集的光信号电荷也是随机过程，因而是一种噪声源。

它与CCD图像传感器无关，而是由

光子性质决定的，因此这是摄像器件工作原理上的限制。

这种噪声在低照度摄像时更成

问题。

输出噪声则是起因于输出电路转移过程中的一种热噪声。

而暗电流噪声则与光子

发射一样，是一种因随机过程而引起的噪声。

在每个CCD单元中，若暗电流不同，会产

生某种特定图形式噪声。

另外，当器件的单元尺寸不同、间隔不同，也能产生噪声。

该

噪声可通过改进光刻技术予以减少。

需要说明的是，在当今的数字电视监控系统中，无论是基于网络的数字视频传输还

是数字硬盘录像，大都采用了M．JPEG、M．．JPEG2000、H．263、H_264、MPEG．1、MPEG．

2或。

MPEG一4等数字视频压缩处理技术，它们都是基于图像信号的相关（冗余）性质进

行压缩的。

因此，如果CCD图像传感器的噪声太大，输出图像中与内容无关的噪声高频

成分就比较多，这使得图像的空间相关性变小，因而压缩后的数字视频码率就比较高，

就需要较宽的传输带宽或较高的存储容量，因此在数字电视监控系统中应尽量使用低噪

声（信噪比高）的CCD监控摄像头。

2．1-3低照度CCD图像传感器

通常的摄像器件都要求在光量Q很宽的范围内具有摄像能力，表2—1列出了各种光

源的参考亮度。

在实用中，CCD也能用作低照度时的图像传感器，在室温下，用满月的

亮度摄像最方便；在低温下，用星光的亮度也能摄像。

图2—3示出了CCD图像加强器的

结构，采用这种结构，在不冷却CCD的情况下就能实现低照度图像传感器。

其原理是先

把入射光成像在光阴极上，再从光阴极上发射光电子，并用几千伏的电压加速光电子，

使之在CCD的背面聚焦。

通过这种方法，灵敏度能提高几千倍。

如用10kV的加速电压，

光图像

图2-3CCD图像加强器

背面照射CCD

10┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━┳━━━┳━┓

┃能获得2300倍的增稀。

┃┃┃┃

┃-|uW……一●H…日一u┃┃┃┃

┣━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━╋━━━╋━┫

┃┃表2一l各种光源的蒉┃5度┃┃┃┃

┃光源┃照度／（1m／m。

）┃辐射照度／（w／m。

）┃┃┃┃

┣━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━╋━━━╋━┫

┃直射太阳光┃105┃5×103┃┃┃┃

┃┃┃┣━╋━━━╋━┫

┃阴天┃103┃50┃┃┃┃

┃┃┃┣━╋━━━╋━┫

┃傍晚┃10┃5×10一‘┃┃┃┃

┃┃┃┣━╋━━━╋━┫

┃月亮光┃lO—I┃5×10一3┃┃┃┃

┃星光┃lO一3┃5×10一5┃┃┃┃

┣━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃┃

┃2．1．4CMoS图像传感器┃┃┃┃

┃┣━╋━━━╋━┫

┃CMOS（ComplementaryMetal—Oxide-Semiconduetor，互补型金属氧化物半导体）集成┃┃┃┃

┃电路的输出结构由一个N型MOSFEF（：

MOS场效应晶体管）和个P型MOSFE~[’串联而┃┃┃┃

┃成。

因为N型MOSF'E3’和P型MO钳'El、是相互补偿的，所以这种半导体被称为互补型┃┃┃┃

┃┣━╋━━━╋━┫

┃┃┃┃┃

┃┣━╋━━━╋━┫

┃MOS——CMOS。

┃┃暖嗣┃┃

┃┣━╋━━━╋━┫

┃与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器在分辨率、光照灵敏度和信噪比等方面。

┃┃一】┃┃

┃均处于劣势，但近些年来有了显着的改善，而其在成本、集成度和功耗等方面的优势则┃┃┃┃

┃┣━╋━━━╋━┫

┃┃┃┃┃

┃┣━╋━━━╋━┫

┃┃┃■=-┃┃

┃比ccD图像传感器更胜一筹，因为它可以方便地将A／D转换和DsP（数字信号处理）┃┃┃┃

┃┣━╋━━━╋━┫

┃等多个功能模块集成于传感器自身的单个芯片中。

┃┃┃┃

┃1-CMoS图像传感器整体结构┃┃鞫┃┃

┃┣━╋━━━╋━┫

┃图24为cMOs图像传感器的简略结构，其各个像素的读取分别受水平及垂直移位┃┃磁┃┃

┃┣━┻━━━╋━┫

┃寄存器控制，另外，在图24所示的CMOS图像传感器基板上还增加了相关双取样（cor．┃l┃┃

┃，^1．·^，|n…k1^￡…1：

一Hr、T、C、-●生字+h：

l-n-^芒}／黼j出慷，^一．1．～┃┃┃

┃┣━━━━━╋━┫

┃┃┃┃

┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━┳━┳━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━╋━━━━━╋━┫

┃Digits_lconverter，ADC）模块，使得整个传感器的功能更加┃垂┃┃[┃骝：

：

：

；┃j┃┃┃┃

┃┃直┃┃┃┃┃┃┃┃

┃完全，且结构更加紧凑，这一点是CCD传感器所无法比拟┃移┃┃[┃┃┃┃┃┃

┃┃位┃┃┃┃┃┃┃┃

┃的。

┃寄┃┃┃┃┃┃┃┃

┃┃┃┣━┻━━━━━━┻━━━━━━┫┃┃┃

┃┃存┃┃亡）_{±】_-[]—亡]_一一一匕]┃┃┃┃

┃图24中的CDS模块丰要用干消除因像素自身原丙产毕┃器┃┃┃┃┃┃

┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━┻━┻━━━━━━━━━━━━━━━┻━╋━━━━━╋━┫

┃的曝占Anr馗七扛的侄田呵“皂输m后R吐L幺傍壶内交酌黼宝JJ_^l羔┃┃┃

┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━┫┃┃

┃u一‘不瓜，川u’伏，人H了lr，lJ一．J肛佣qL工J从呱1=r卧水r】1=r口J姒丁┃┃—诩cDs┃┃┃┃

┃信号，它既可有效防止模拟杂波信号的干扰，又便于在其后┃时┃<乡┃┃┃┃

┃┃┃┣━╋━━━━━╋━┫

┃┃序┃刮AD（：

┃┃┃┃

┃接数字信号处理器（DsP）芯片。

┃控┃┃┃┃┃

┃┃┃┣━╋━━━━━╋━┫

┃┃制┃{乡┃┃┃┃

┃在实际电路中，ADC既可以是单一结构的，也可以是┃┃=割水平移位寄存器┃┃┃┃

┃—9厶口牡士h^h，扁I由n¨r旨工佰百II朋5鼻j埘^n厶口^n，、、、鬲┃┃┃┃┃┃

┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━┫┃┃

┃夕组绢俐H’JL∥U义U，刖世丁撙一岁U’琢糸确p月U—z且Au乙Jo1岜┃┃┃

┃常单一ADC结构受其频宽（转换速率）的限制，不适合高图2_4CMOS图傺传感器┃┃┃

┃┣━━━━━╋━┫

┃┃┃┃

┃┣━━━━━╋━┫

┃┃┃┃

┃┣━━━━━╋━┫

┃分辨率图像传感器，而多组ADC结构则会因各个ADC产生的简略结构┃┃┃

┃┣━━━━━╋━┫

┃┃┃┃

┃┣━━━━━╋━┫

┃的杂波电平不同而在图像画面上形成固定的竖条状干扰噪声（I~ixedPatternNoise）。

当┃┃┃

┃┃┃┃

┃然，这种干扰也可以由第二个类似CDS的电路以模拟或数字方式加以拟制。

┃┃┃

┃┣━━━━━╋━┫

┃┃┃┃

┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━┻━┛

11于0．1lx。

因而CMOS图像传感器取代CCD图像传感器已成为必然之势。

MICRON公司已于2003年底开发出了具有200万像素的MT9D001和300万像素的

MT9T001两款CMOS图像传感器[均为12．7mm（1／2in）靶面]，其最低感光照度达到

1．0lx，可以输出每秒30帧、分辨率符合超级扩展视频图形阵列（UXGA）、扩展视频图

形阵列（XGA）和视频图形阵列（VGA）格式的活动图像。

安捷伦公司于2003年5月推出的CMOS图像传感器模块则将基于硬件的JPEG压缩

内核以ASIC的形式紧密地集成于一体，因而一个芯片即可以实现图像传感及视频压缩，

再配上接口芯片即可很容易地构成通用串行总线（USB）接口监控摄像头或网络监控摄像头。

日本松下公司则于2004年2月推出了像素间距仅2．25trm的CMOS图像传感器，比

目前行间转移CCD图像传感器最小像素间距（2．35I~m）还要小，这就意味着，采用该

项技术可以在1／4in的传感器靶面上集成约200万像素，而此前应用于同样靶面尺寸的

CMOS监控摄像头中的图像传感器仅为30万像素左右（对应像素间距约为5．8pLm）。

虽然像

素间距减小使像素尺寸进～步减小，但通过修改每个像素中使用的晶体管的配置而增大

了像素的孔径比（即光敏二极管所占的像素表面积大小），因而新型CMOS图像传感器的

低照度和信噪比特性并没有劣化。

由于可以采用更小尺寸的图像传感器生产CMOS摄像

机，因而可以使与监控摄像头配套的光学镜头尺寸进一步减小，或者在同样尺寸时，镜头的

变焦倍率进一步提高。

2005年1月，日本尼康公司推出了一款采用索尼CMOS图像传感器的NikonD2X高

端单反数码相机，其像素数高达1284万（有效像素1240万），由于采用了4个通道（两

个绿通道、一个红通道和一个蓝通道）并行输出，其成像速度极快，并有很高的信噪比。

据《日经电子》报道，该技术同样适合于各种用途的CMOS监控摄像头。

随后，世界上第一

款采用3片1／6inCMOS图像传感器的DCR—PCI000E高档民用数码监控摄像头由索尼公司于

2005年2月推出。

该机配有10倍光学变焦镜头，并具有120倍数码变焦能力，由于采用

了索尼公司最新的“增强型影像处理器”，可实现更高质量的影像拍摄，并可捕捉高达

280万像素的高清晰静态图像。

2005年8月，在北京国际广播电影电视设备展览会上，

索尼公司又推出了基于CMOS图像传感器的HDV格式的HVR．A1C高清晰度广播级数字

摄录一体机（暂定版），可以记录并重放1080／50i格式的高清晰度数字电视信号或Dv．

CAM和DV（sP）格式的标准清晰度数字电视信号。

2．2监控摄像头的构成

CCD监控摄像头分为黑白和彩色两大类，其中黑白CCD监控摄像头具有更高的灵敏度以及彩

色监控摄像头所不具备的红外感光特性，但是随着彩色转黑白技术的不断成熟，纯黑白CCD

监控摄像头的应用已越来越多地被具有彩色转黑白功能的日夜两用型监控摄像头所代替。

2．2．1黑白CCD监控摄像头的组成

监控摄像头要将所摄取的图像在电视机或监视器上正常地显示出来，必须按不同国家的

电视标准所要求的信号格式输出符合电视标准的视频信号（闭路电视监控系统中采用的

视频信号格式与广播电视采用的视频信号格式是完全一样的）。

因此，除了图像传感器

12外，监控摄像头的工作电路还应有同步信号产生、视频信号处理及电源等外围电路。

图2-5

示出了黑白CCI）监控摄像头的原理框图。

视频信号输出

图2．5黑白CCD监控摄像头原理框图

在图2．5中，定时脉冲、同步信号发生器是CCD监控摄像头中的一个主要部分，它为

CCD图像传感器的扫描以及最终视频信号的形成提供了所需的各种同步及消隐脉冲。

放大及信号处理是CCD监控摄像头中的另一个主要部分，因为由CCD图像传感器输出的

微弱电信号经预放器后，还须经过一系列的处理才能形成符合电视标准的视频信号。

这

一系列处理过程主要包括图像信号的钳位、黑白切割、压缩、补偿与校正、混消隐信号

以及信号的放大处理等。

其中钳位过程是为了恢复视频信号因RC交流耦合放大而失去

的直流分量，还可以消除信号中的低频干扰；黑切割过程通过在信号中混人大幅度的负

极性消隐脉冲再进行切割而将杂波与消隐脉冲一起切掉，以去除消隐期间的杂波，并建

立正确的黑电平；白切割过程通过切除某些白色信号而达到限制信号幅度的目的，以防

止后级放大器工作于饱和状态；y校正电路用于补偿监视器在显示图像时，屏幕显示亮

度与实际景物亮度呈现的非线性关系，使从监控摄像头端的“光一电”转换直到监视器端的

“电一光”转换这一整个信号传输链路呈完美的线性关系；混消隐过程是根据电视标准在

图像信号中混人标准消隐脉冲，以建立2％一5％的黑电平，把消隐电平与黑电平分开；

最后的视频放大与输出电路则要求监控摄像头能够输出一定的功率、输出阻抗低且增益稳定，

并要求输出信号的线性好、频带宽，在深度电压负反馈的前提下，视频放大与输出电路

可达到8MHz的带宽，输出标准信号幅度为0．7u，。

（U，。

指峰一峰电压），非线性失真应

小于5％。

2．2．2彩色CCD监控摄像头的组成

为了能输出彩色电视信号，监控摄像头电路中要处理红、绿、蓝（简记R、G、B）三种

基色信号。

因此，仿照早期的3个摄像管式的监控摄像头工作原理，最初的彩色CCD监控摄像头

都是由三片CCD图像传感器配合彩色分光棱镜及彩色编码器等部分组成。

然而随着技术

的不断进步，通过在CCD靶面前覆盖特定的彩色滤光材料，用两片甚至单片CCD图像传

感器也可以输出红、绿、蓝三种基色信号，从而构成两片式或单片式彩色CCD监控摄像头。

目前的三片式彩色CCI）监控摄像头属于高档设备，几乎全部用于广播电视系统及高档民用系

统，而应用于闭路电视监控系统中的彩色监控摄像头则绝大多数都是单片CCD式的。

值得一

提的是，2003年夏，日本索尼公司在全世界率先提出了4色CCD的概念，即在传统的

13红、绿、蓝三种