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CCD摄像头基本知识
CCD摄像头基本知识
CCD（电荷耦合器）摄像头基本知识
现在科学级的摄像头比前几年更尖端，应用领域也更广了。
在生物科学领域，从显微镜、分光光度计到胶文件、化学放光探测系统，都用到了CCD的摄像头。
但是很多研究工作者对CCD的指标仍云里雾里。
下面对CCD的一些常见指标进行表述。
常见的CCD一般指：
CCD摄像头和插在电脑的采集卡
区别数字摄像头与模拟摄像头
所有CCD芯片都属于模拟的设备。
当图像进入计算机是数字的。
如果信号在摄像头、采集卡两部分完成数字化的，这个CCD被认为是模拟CCD。
数字摄像头事实上是由内置于摄像头的数字化设备完成数字化过程，这样可以减少图像噪音。
与模拟摄像头相比，数字摄像头提高了摄像头的信噪比、增加摄像头的动态范围、最大化图像灰度范围。
科学级的绝大多数的CCD芯片都是由Kodak、Sony、SIT制造。
评价CCD的基本指标
信噪比SNR真实体现摄像头的检测能力。
所有的CCD摄像头的厂家为提高摄像头的性能，都尽力使信号（可达到满井电子的数目）最大同时尽可能减少噪音。
SNR=满井电子/噪音电子=动态范围=最大灰阶=2bit数
在相同满井电子的CCD，降低CCD噪音，就能提高CCD的监测能力，热或者暗电流对于CCD都是噪音，噪音在CoolCCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。
在曝光超过5-10秒，CCD芯片就会发热，没有致冷设备的芯片，“热”或者白的像素点就会遮盖图像。
-20度的摄像头可以拍摄不超过5分钟的图像，-40度的摄像头拍摄时间可以超过1小时。
像素面积
这个指标是在芯片的一个重要指标。
像素面积越大、对光越灵敏。
因为像素点面积有更多电子，能产生更多信号。
在1/2”、2/3”、1”的芯片上，像素点
以上为翻译部分，下面的相机的指标。
可以参考。
一：
基础知识像素、感光元件、尺寸、有效像素、分辨率
通常消费者最为关注的是相机的像素，像素也的确是数码相机最重要的一项硬指标，也就是说，像素高了不一定是好相机，但是像素太低（以目前的市场主流，300万以下就算比较低了）怎么都不能算是好相机。
像素：
要说像素首先得讲一下数码相机的感光原理，要拍照片首先要将光信号转换成电信号，这靠的就是感光元件（Sensor），在数码相机的镜头后面都有一块芯片，上面密密麻麻地挤满了这些感光元件，每个感光元件只能将很小的一点转换成图像，这些小的图像加起来就成了我们可以看见的图像了。
讲到这里大家有点明白了吧，不错，像素其实就是这些感光元件，我们平时说的多少万像素就是这些感光元件的个数了。
所以一般来讲像素越大，成像也就越清晰细腻，当然这其中还要受许多因素限制，下面会慢慢提到的。
接下来要讲的就是为什么高像素不一定是好相机的一个原因：
尺寸
尺寸：
尺寸就是通常所的说的CCD尺寸、CMOS尺寸，常见的有2/3英寸，1/1.8英寸，1/2.7英寸。
这个单位不是太直观，以1/2.7英寸为例，换算成我们熟悉的单位就是5.27×3.96mm。
相同数目的像素，排列越密集，像素之间就越容易出现电流干扰，容易出现“噪点”等干扰成像质量的现象出现。
所以尺寸越大越好，当然成本也会随之提高——并且不是成比例提高，而是以几何级数向上提。
目前使用2/3英寸的已经是相当高级的机器了，像美能达的d7hi、尼康的cp5700、索尼的f717，而少数使用和我们平时使用的135相机的底片一样大小感光芯片的相机，其价格就更高了。
图1：
各种尺寸对比图
有效像素：
多数相机厂商使用总像素去标示一台相机的分辨率，但是，真正应该使用的应该是记录像素（recordedpixels），记录像素并不同于有效像素，不过人们已经习惯用有效像素代替记录像素。
我们以索尼的ICX252AQ334万像素CCD来比较一下各种“像素”：
总像素
2140×1560（334万）
可感光像素
2088×1550（324万）
活动像素
2080×1542（321万）
推荐记录像素
2048×1536（314万）
表1：
各种像素
总像素中有些是不会感光的即坏的像素，这是目前技术无法解决的；除去坏的像素剩下的就是可感光像素，感光元件的边缘要用作确定“黑”的基准值，这部分像素也是不参与成像的；除去不参与成像的像素，剩下的就是活动像素；然后再在这些像素里抽取部分像素作一个标准的输出（如2048×1536）。
这样减来减去剩下的就是推荐记录像素，也就是我们平时所说的有效像素了。
分辨率：
分辨率和有效像素直接相关，例如：
200万像素数码相机的最大分辨率为1704×1257；300万像素最大分辨率则是2048×1536；而到达500万像素这个级别的时候，提升并不明显，分辨率是2560×1920。
如果你想数码冲印得到最终照片，那么200-300万像素以最大分辨率拍摄出来的数码照片，要冲印成常见的6寸并拥有与普通胶卷不相上下的画质毫无问题，而用500万以上像素数码相机拍摄，冲印出来后完全可以制作海报与广告了；如果使用家庭中常用的喷墨打印机将照片打印在照片打印纸上，以A4幅面为例，A4幅面的照片打印纸去除页边距后，实际的使用面积最大为19cm×27cm，300万像素标准刚好能够满足在A4照片打印纸上的成像要求；如果你只想将照片存储在电脑中，用显示器看，就算你现在使用的显示器已经超过主流的17英寸产品，分辨率也大于主流的1024×768，普通的200万像素以上数码相机所提供的分辨率也能得到清晰的照片显示了。
讲了感光元件，你大概还是觉得很别扭吧，不过讲到CCD你一定舒服多了。
不错，CCD就是目前市场最重要的一种感光元件，不过之所以一定要讲感光元件，而不干脆用CCD来代替它，是因为感光元件还有一支重要的力量——CMOS。
下面就来讲一下它们各自的特点和代表技术。
参数分析
因为8013DSP的AD转换时间在32M主频的情况下最短为2.125us。
如果选用一个分辨率为320线的摄像头，则单行视频信号持续的时间约为20ms/320=62.5us，AD对单行视频信号采样的点数将不超过[62.5/2.125]=29个。
若使用分辨率为640线的摄像头，则单行视频信号持续的时间约为20ms/640=31us，AD对单行视频信号采样的点数将不超过[31/2.125]=14个。
这就是说，分辨率越高，单行视频信号持续的时间就越短，AD对单行视频信号所能采样的点数就越少。
所以我们应该选择线数尽量低的摄像头
实际情况下，8013每行采集到32点与理论相符。
CCD：
电荷耦合器（Charge-CoupledDevice），目前市面上最主要的感光元件，技术相对成熟，成像锐利，色彩鲜艳。
比较有特色的技术有富士研发的超级CCD技术。
超级CCD（superccd）：
由富士开发，超级CCD排列相互交错，拥有独特的八角形感光元件，从而可为各像素提供更大的感光元件。
超级CCD的传感器形状和排列可生成更平衡的数码照片质量，传感度得到了进一步的改善，动态范围也得到了提升。
同时它还可改善信噪比，并提供更高的分辨率、更佳的色调和更真实的色彩。
超级CCD是为控制这些因素的总平衡所设计的，旨在提供更好的图像质量。
使用了超级CCD技术的相机可以得到比同像素其它机型更高的分辨率，不过在实际使用中，超级CCD的效果并并不能将对手抛离。
现在超级CCD已经发展到了第四代，在这里就不一一赘述了。
图2：
超级CCD的像素排列
CMOS：
互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor），CMOS成像芯片用于数码照相机始于1997年，CMOS感光芯片与数码照相机上广为采用的CCD芯片相比具有成本低、能耗低的优点，但技术尚不十分成熟，用它做感光芯片的数码照相机还比较少。
最著名的是美国Foveon公司的FoveonX3技术；此外佳能公司在其高端的数码单反相机中也广泛使用CMOS作为感光元件，不过佳能对此项技术没有做什么的宣传，外间也没有太多的技术资料。
FoveonX3：
FoveonX3是一种用单像素提供三原色的CMOS图像感光器技术。
与传统的单像素提供单原色的CCD/CMOS感光器技术不同，X3技术的感光器与银盐彩色胶片相似，由三层感光元素垂直叠在一起。
提供更丰富的彩色还原度以及避免采用BayerPattern传统感光器所特有的色彩干扰。
另外，由于每个像素提供完整的三原色信息，把色彩信号组合成图像文件的过程简单很多，降低了对图像处理的计算要求。
采用CMOS半导体工艺的X3图像感光器耗电比传统CCD小。
图3：
FoveonX3的工作原理：
不同的色光在硅片的不同深度被吸收
二：
镜头相关参数
任何照相机的镜头都是至关重要的，数码相机也不例外。
说到镜头首先要讲一下现在数码相机厂商的背景，一类是原来就生产照相机的厂商，如尼康、佳能、美能达、宾得、奥林巴斯等等，另一类是在消费电子发展的厂商，如索尼、松下、卡西欧、三星等等。
前一类厂商一般都会使用自己生产的镜头；后一类厂商则会使用其它厂商生产的镜头，如索尼用的是德国的蔡斯镜头，松下用的是德国的莱卡，三星用的是德国的施耐德，卡西欧用的是日本的宾得。
这些都是响当当的名号，如果你不熟悉，那也不要紧，我们在这里给你简要地介绍一下：
中文名
英文名
国籍
尼康
nikkor*
日本
佳能
canon
日本
美能达
minolta
日本
宾得
pentax
日本
奥林巴斯
olympus
日本
适马
sigma
日本
卡尔蔡斯
carlzeiss
德国
莱卡
leica
德国
斯耐德
schneider
德国
表2：
知名镜头生产商
*尼康的机身和镜头使用的是不同的商标，机身用的是尼康nikon，镜头用的是尼克尔nikkor。
这些都是著名的品牌，消费者可以放心选购。
镜头的主要参数有光圈、快门、焦距，变焦、最短对焦距离等。
光圈
光圈是表征镜头单位时间通光量的单位。
我们从镜头看进去可以看见一个环形的活动“门”，这就是光圈，通过这道门的打开关闭就可以控制进入镜头的光量。
常见的有f2.8，f4，f5.6，f8，f11等，数值越小光圈越大，也就是说“门”打开得越大。
常见数码相机的最大光圈一般在f2.8，也有f1.8、f2.0的，最小光圈在f8、f11左右，数码单反除外。
焦距
所谓焦距，是指镜头到透镜焦点（在数码相机上也就是CCD或CMOS上）的距离。
说白了焦距越大望得越远。
变焦镜头
顾名思义变焦镜头就是焦距可以进行调节的镜头了，目前大多数数码相机的镜头都是变焦镜头，并且以三倍变焦居多。
最短对焦距离
可以拍摄清楚物体的就近距离，这是数码相机的强项，多数数码相机可以达到3-5厘米，有的甚至可以达到1厘米以内。
这对微距拍摄是很有用的。
索尼与富士CCD技术发展历程
一、索尼CCD技术发展历程
由于CCD的生产工艺复杂，因此至今为止，世界上只有索尼、富士、柯达、菲利蒲、松下和夏普６家厂商可以批量生产，而其中最主要的供商是索尼。
索尼是一间最早从事CCD制造的厂商，从70年代就开始研发CCD了，它从开始生产CCD至今累积计算，生产量已超越了１亿片以上，以50％的市场占有率成为CCD市场领导厂商。
下面是索尼CCD技术发展简史。
1969年，美国的贝尔电话研究所发明了CCD。
它是一个将“光”的信息转换成“电”的信息的魔术师。
当时的索尼公司开发团队中，有一个叫越智成之的年轻人对CCD非常感兴趣，开始了对CCD的研究。
但是由于这项研究距离商品化还遥遥无期，所以越智成之只能默默地独自进行研究。
1973年，一个独具慧眼的经营者——时任索尼公司副社长的岩间发现了越智的研究，非常兴奋地说道：
“这才应该是由索尼半导体部门完成的课题！
好，我们就培育这棵苗！
”当时的越智仅仅实现了用64像素画了一个粗糙的“S”。
然而，岩间撂了一句让越智大惑不解的话：
“用CCD造摄像机。
我们的对手不是电器厂商，而是胶片厂商伊斯特曼·柯达！
”当时的索尼和柯达可以说是风马牛不相及，为什么对手会是柯达？
时间过去了近40年后的今天，当索尼推出使用800万像素的F828数码相机步入市场的时候，谜底终于揭穿了，岩间说的是“要以超过柯达的胶卷照片的图像质量为目标搞CCD开发！
”
岩间是那种有远见的经营者，索尼开始引进晶体管时，站在第一线指挥的就是岩间，他亲自到美国考察，从美国不断地发回技术报告，靠着这些报告，索尼前身的东京通信工业生产出了晶体管，成长为世界一流的半导体厂家。
当时，CCD只是实验室里的东西，谁也没有想到它能成为商品。
因为按照当时的技术水平，人们普遍认为：
运用大规模的集成电路技术、完美无缺地生产在一个集成块上具有10万元件以上的CCD，几乎是不可能的。
一般的企业在搞清这个情况以后就从研究中撤了下来。
但岩间却不这么认为，他的结论是：
“正因为机会谁都没有动手搞，我们才要搞！
”
这在当时是一种边沿的研究，温吞水的努力是难以奏效的。
而且，这还是一项很费钱的研究，据说从开发阶段直到实现商品化，索尼花在CCD上的钱高达200亿日元。
项目研究虽然只花了30亿日元，但因为CCD的加工制造需要大量专有技术，实现大量生产时的技术积累过程难度最大，所以这方面投下了170亿日元。
因此，这个项目如果没有优秀的经营者的支持根本办不到。
岩间曾任索尼的美国分社长，回到日本索尼以后担任副社长兼索尼中央研究所的所长。
据索尼开发团队带头人木原的回忆：
“回国最初，岩间视察了中央研究所的全体，随着时间的过去，他的关心逐渐移到了CCD开发方面。
大家注意到他一天之中有一半是在从事CCD研究的越智成之身旁度过的。
到了1973年11月，CCD终于立了项，成立了以越智为中心的开发团队。
”
在全公司的支援下，开发团队克服重重困难，终于在1978年3月制造出了被人认为“不可能的”、在一片电路板上装有11万个元件的集成块。
以后，又花了2年的岁月去提高图像质量，终于造出了世界上第一个CCD彩色摄像机。
在这个基础上再改进，首次实现了CCD摄像机的商品化。
当时，CCD的成品率非常低，每100个里面才有一个合格的，生产线全开工运转一周也只能生产一块。
有人开玩笑说：
这哪里是合格率，这简直就是发生率！
索尼接到全日空13台CCD摄像机的订单，其中用的CCD集成块的生产足足花了一年。
1980年1月，升任社长的岩间又给了开发团队新的目标：
“开发使用CCD技术的录像录音一体化的摄像机”。
又是苦斗，经过了公布样品、统一规格、CCD摄像机开发团队和普通摄像机开发团队的携手大奋战，1985年终于诞生了第一部8毫米摄像机“CCD-V8”。
从开始着手CCD的研究，直到生产出第一台8毫米CCD摄像机，已经经历了15年的岁月了。
从CCD开发到数码摄像机的商品化，仅仅是一个开端。
真正实现与光学相机相匹敌的图像质量，还有很长的路要走。
数码相机上最初使用的CCD虽然是将录像机专用品转用的，但是很快在数码相机专用CCD方面出现了“像素竞争”，静止画面用CCD质量迅速地提高了。
以下是索尼公司进入80年代后，以年代为顺序，在CCD传感器技术方面的发展简介：
1、HAD感测器（80年代初期）
HAD（HOLE-ACCUMULATIONDIODE）传感器是在N型基板，P型，N+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是SONY独特的构造。
由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。
另外，在N型基板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句换说，也提高了感度。
在80年代初期，索尼将其领先使用在INTERLINE方式的可变速电子快门产品中，即使在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图像。
2、ON-CHIPMICROLENS（80年代后期）
80年代后期，因为CCD中每一像素的缩小，将使得受光面积减少，感度也将变低。
为改善这个问题，索尼在每一感光二极管前装上经特别制造的微小镜片，这种镜片可增大CCD的感光面积，因此，使用该微小镜片后，感光面积不再因为感测器的开口面积而决定，而是以该微小镜片的表面积来决定。
所以在规格上提高了开口率，也使感亮度因此大幅提升。
3、SUPERHADCCD（90年代中期）
进入90年代中期后，CCD技术得到了迅猛发展，同时，CCD的单位面积也越来越小，受CCD面积限制，索尼1989年开发的微小镜片技术已经无法再提升CCD的感亮度了，而如果将CCD组件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯同时提高，成像质量就会受到较大的影响。
为了解决这一问题，索尼将以前在CCD上使用的微小镜片的技术进行了改良，提升光利用率，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼SUPERHADCCD技术。
这一技术的改进使索尼CCD在感觉性能方面得到了进一步的提升。
4、NEWSTRUCTURECCD（1998年）
在摄影机光学镜头的光圈F值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多，但更多的钭光并不能百分百地入射到CCD传感器上，从而使CCD的感光度受到限制。
在1998年时，索尼公司就注意到这一问题对成像质量所带来的负面效果，并进行了技术公关。
为改善这个问题，他们将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。
加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以完全地被聚焦到CCD感光器上，而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化，让会造成垂直CCD画面杂讯的讯号不会进入，使SMEAR特性改善。
5、EXVIEWHADCCD（1999年）
比可视光波长更长的红外线光，会在半导体硅芯片内做光电变换。
可是至当前为止，CCD无法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到感测器内。
为此，索尼在1999年新开发的“EXVIEWHADCCD”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光，有效转换成为映像资料而用。
使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。
利用“EXVIEWHADCCD”组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。
而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直ＣＣＤ部分的SMEAR成分，也可被收集到传感器内，所以影响画质的杂讯也会大幅降低。
从开始生产ＣＣＤ累积计算，索尼的生产量已超越了１亿个以上。
未来索尼公司将积极降低产品消耗电力，减少驱动电路复杂度，减少ICPIN脚数以及减轻电子产品对地球生态环境负担为目标，研发设计新型的ＣＣＤ组件。
在ＣＣＤ的应用越来越多样化的趋势下，加强ＣＣＤ的小型化及高像素化的基本特性，以提供更有魅力的高附加价值的产品来满足用户的要求。
6、四色滤光技术（2003年7月）
2003年7月16日，Sony公司正式宣布将会在自己全新的消费级CCD产品上采用全新的四色滤光技术，现在，Sony高达800万像素的F828数码相机产品就是采用了此类全新CCD设计生产的。
我们知道，传统的感光无非红绿蓝RGB三色，数码相机所应用的CCD/CMOS感光单元是采用彩色滤光片原理，每个像素各感应不同的颜色，然后再将这些颜色重新组合成一个有效像素。
而全新的四色滤光标准则被称为RGBE，相对RGB而言，全新的E被Sony认为是一种亮蓝色标准，这里的E就是英文祖母绿单词Emerald的缩写（看上去应该算是青绿色）。
Sony认为全新的四色滤光技术将会更加接近于人眼自然色彩识别标准，从而能够达到更为真实的色彩还原标准，在RGBE技术发布的同时，Sony也同期公布了一种全新的图像处理模块以配合全新的四色滤光CCD模块。
配合全新的RGBE技术和全新的图像处理模块，新一代的RGBECCD模块可以将数码相机在色彩还原上的错误降低至少一半，而数码相机在蓝绿、红色方面的还原生成效果也将同时得到加强。
另外，全新的图像处理单元也会在能耗方面作相应的优化，相对从前配合RGB技术所采用的图像处理模块可以节省至少30%的能耗，当然全新的图像处理单元更会有效提升数码相机的拍摄速度和回放速度，Sony认为整个全新的RGBE模块设计将整体提升现有数码相机产品的性能表现。
二、富士超级CCD的发展历程
富士虽然没有索尼那么雄厚的CCD研发实力，其CCD的研发历程也没索尼长，但它的超级CCD却有着非常独特之处。
富士的超级CCD（SuperCCD）技术发展于1999年。
直至今天为止，市面上大多数的数码相机采用的都是矩阵式CCD做传感器，这种CCD的缺点是像素与CCD的面积产生了矛盾，因为要提高影像质量就必须增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情况下，增加像素就意味着要缩小像素中的光电二极管。
我们知道单位像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄，因此这种方法不能无限制地增大分辨率，所以，如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率，只会引起图像质量的恶化。
但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。
而直至今天为止，更大尺寸CCD加工制造都还比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不下来，这一矛盾对于CCD而言是难以克服的。
在1999年时，富士公司就注意到了这一点，为了解决这一问题，他们研制出了第一代超级CCD。
超级CCD采用八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列，这样就大大改善了每个像素单元中的光电二极管的空间有效性。
其像素按45度角排列为蜂窝状后，控制信号通路被取消，节省下的空间使光电二极管得以增大，而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆形，从而可以比矩形光电二极管更有效的吸收光。
光电二极管的加大和光吸收效率的提高使每个像素的吸收电荷增加，从而提高了CCD的感光度和信噪比，因此，相对于有同样数量像素的传统CCD而言，它有更高的灵敏度、更高的信号噪声比和更广泛的动态范围；
2001年，第一代超级CCD荣获了授予CCD的固体摄像元件优秀研究成果的“沃尔特.科索诺基奖”；
第二代超级CCD诞生于2001年。
它的像素数比第一代超级CCD提高了很多，噪音也大大降低，拍出的图像锐度更高。
这项技术获得到了很高的评价，在图像品质和细节方面做出了突破；
第三代超级CCD诞生于2002年，它以实现ISO1600和以30幅每秒的速率拍摄VGA电影为特征，采用了新的图像处理算法和芯片技术；
第四代超级CCD诞生于2003年。
2003年年初，在英国，富士在举办的一次新闻发布会上发布了有关SuperCCDSR/HR技术的内容，这也是SuperCCD技术的第四代衍生产物。
在2003年3月初，在美国拉斯维加斯举办的PMA2003年的展会中，富士公司则展示了其应用第四代SuperCCD技术的数码相机—FinepixF700。
它的问世宣布了富士的第四代SuperCCD技术正式进入普及应用阶段。
全新的SuperCCDSR技术的SR含义在于“SuperDynamicRange”，这种技术可以在现有的传统CCD技术上提升两倍甚至更高的动态延伸效果，SuperCCDSR的概念是在CCD传感器的表面每个微透镜上都带有两个光敏二极管，其中一个负责捕捉较为敏感的黑色以及正常光线标准下的信号，而另一个则负责捕捉亮度更高的区域部分信号，两个光敏二极管分别捕捉的光信号再通过相机合成为一张完整的照片，从而提供了超越普通CCD多达二档光圈的惊人动态响应。
Super CCDSR技术将CCD的动态范围扩展到了接近普通传统负片胶卷的水平，意味着装备富士SuperCCDSR技术的数码相机按光线极弱或极强的环境下都可以拍摄到清晰的画面。
富士认为现有的负片技术是由多层不同标准感光实现的，并且还能够提供非常广的动态延伸范围，而SuperCCDSR技术也正是针对这样的效果进行设
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