CCD 照相機

CCD是一種大規模積體電路工藝製作的半導體光電元件，由美國貝爾實驗室Boyle和Smith發明。

基本介紹

• 中文名：CCD 照相機
• 外文名：CCD camera
• 發明人：美國貝爾實驗室Boyle和Smith發明
• 優點：體積小、可靠性高、靈敏度高等

原理

CCD由美國貝爾實驗室Boyle和Smith發明，是一種大規模積體電路工藝製作的半導體光電元件，它在半導體矽片上制有成千上萬個光敏元，產生與照在它上面的光強成正比的電荷。CCD基本構成單元是MOS電容器，它以電荷為信號，通過對金屬電極施加時鐘脈衝信號，在半導體內部形成儲存載流子的勢阱。當光或電注入時，將代表信號的載流子引入勢阱，再利用時鐘脈衝的規律變化，使電極下的勢阱作相應變化，就可以使代表輸入信號的載流子在半導體表面作定向運動，再通過對電荷的收集、放大，把信號取出。現今新型的CCD產品主要有底插式和側裝式兩種，其工作原理基本相同。

國產CCD相機

優點

CCD照相機具有強大的自掃描功能，圖像清晰度好，可以隨時捕捉圖像，支持多重合併像素模式，創新的讀出技術能夠充分降低噪音，達到一個更高的靈敏度和轉化效果，使得圖像具有極高的信噪比，在醫學領域得到非常廣泛的套用。與傳統攝像機比較，CCD相機具有體積小、可靠性高、靈敏度高、抗強光、抗震動、抗磁場、畸變小、壽命長、圖像清晰、操作簡便等優點。

CCD相機具有穩定的PELTIER製冷系統，真空室與透射電鏡的真空系統隔離，光纖耦合具有單個電子靈敏抗臨近信號干擾的功能。此外CCD相機具有強大的視頻圖像記錄器軟體功能和工作語言界面，使研究人員在觀察到超微結構後，實驗結果可以直接用隨身碟帶走，省去了繁瑣的暗室顯影、定影、沖洗底片和照片上光等步驟，提高了實驗的工作效率和圖片的清晰質量，克服了人為操作時安全燈、水溫、試劑濃度等因素的影響。

參數

像素大小(Pixel Size)

或稱像素點或像素尺寸，是指個別感應像素的實際尺寸大小，不論是長或寬，都以μm(Micrometer)為計量單位。是指晶片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常尺寸包括14μm,10μm,9μm,7.4μm,7μm,6.45μm,3.75μm等，像素尺寸越大CCD質量也越好。像素尺寸從某種程度上反映了晶片對光的回響能力，像素尺寸越大，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多，圖像信息越強、越清晰。對於弱光成像而言，像素尺寸是晶片靈敏度的一種表征，像素尺寸越大晶片靈敏度越好、CCD成像的畫質更好；在解析度允許的情況下，選擇像素尺寸大的相機，會有較大的動態範圍；更大的像素尺寸，同時還會提高攝像機的感光度（感光度是指多暗的情況下，攝像機能夠工作）。像素尺寸越大的CCD成像質量越好同時成本也越高。

CCD(Charge Coupled Devices)

個別光感應組件(稱為Pixels)組合成矩陣或線形式的半導體裝置，光學鏡頭把影像聚在此Sensor上，每一個Pixels累積和光成正比的電荷，然後傳送讀出。輸出矩陣大小是感光元矩陣的一半就是interlace模式CCD，如是相同大小就是Progressive Scan CCD。

景深 (Depth of Field) ：

至近點和至遠點之間的距離能聚焦清楚，受鏡頭焦距長及光圈大小影響。降低焦距長及光圈縮小，景深就會增加。

電子快門(Electronic Shutter)

CCD/CMOS Camera操作模式，積分時間可以縮短，不需任何機械裝置被用來降低抓取快速移動物體產生的模糊現象。

暗電流(Dark Noise Current) ：

在某特定工作溫度的條件下，遮蔽CCD/CMOS的感應器，使其避免任何光源的照射或感光，而經由感測組件本身產生的電荷數(Electrons)。噪聲值的大小，以特定溫度，每秒產生的電荷數為主要單位。

輸出噪聲(Readout Noise) ：

CCD/CMOS正常工作時，除了真正有效的輸出訊號外，因其它因素造成而隨之輸出的電荷數，皆稱之。

量子效益(Quantum Efficiency) ：

直接進入或投射在感測組件上的光子總數(Photons) ，與被感測器換成電荷數的比率，通常用百分比(%)來表示。

電位井容量(Fall-well Capacity)

每個圖素所有容納的電荷總數量。數目愈多，影像的動態範圍(Dynamic Range)愈大；更能表現影像上，任何微小明暗度的變化。

S /N (Signal To Noise Ratio) ：

常以dB為單位表示，是正常訊號輸出和電子訊號內的噪聲比。

模擬數位化(Analog To Digital) ：

是CCD/CMOS攝影機輸出影像訊號的格式。早期所制定的標準型的CCD/CMOS，多採用模擬訊號輸出，則陸續推出內建模擬轉數字(ADC)電路的數位化攝影機。攝影機所能提供的影像灰階度，則取決於A/D轉換電路的位數。譬如，8位攝影機，可提供28=256灰階影像輸出，而10位，則代表1024灰階度表現力，依此類推。

白平衡：

白平衡是攝像機的一個極重要的概念.所謂白平衡,就是攝像機對白色物體的還原.當我們用肉眼觀看這大千世界時,在不同的光線下,對相同的顏色的感覺基本是相同的,比如在早晨旭日初升時,我們看一個白色的物體,感到它是白的;而我們在夜晚昏暗的燈光下,看到的白色物體,感到它仍然是白的.這是由於人類從出生以後的成長過程中,人的大腦已經對不同光線下的物體的彩色還原有了適應性.但是,作為攝像機,可沒有人眼的適應性,在不同的光線下,由於CCD/CMOS輸出的不平衡性,造成攝像機彩色還原失真:具體到拍攝白色物體的時候就表現為或者偏藍,或者偏紅,從而造成整個拍攝的圖像彩色失真。

製冷：

CCD工作時溫度會升高，這會產生噪音，尤其是長時間曝光（若螢光拍攝等情況需要較長的曝光時間），如果把溫度降低，可以減少這類噪音，所以大家看到有冷CCD。製冷方式有很多，比如裝風扇、半導體製冷、水循環製冷，還有用液氮製冷的，製冷越低，降噪越好，但是成本也就越高。Tucsen二級半導體製冷CCD,可製冷至室溫下-45℃。

灰階：

一般是寫的多少bit，這個值高點好些，這樣在一些層次比較多或者不容易區分的圖片的拍攝上會有幫助，常見的是醫院血液科的血塗片拍攝：紅血球非常薄而且多，經常在鏡下觀察時會發現有不少是有重疊的，人眼還比較好區分重疊的部分，但是換到CCD上面的話，基本需要12bit以上了，最好是14bit的。對於做灰度分析或者螢光定量分析的，灰階還是高點好。

速度：

這個自然是越快越好，不過要注意區分：速度分為讀出速度，預覽速度，採集速度；讀出速度高不一定預覽、採集就快，因為它還受後面接口、電腦等的影響；預覽速度受解析度影響，採集速度相對好點，因為他的變動基本上就只有電腦配置高低影響了。

數據接口：

最常用的是 USB接口，1394其次，還有就是串口。

Binning：

這是提高CCD預覽、採集的常見方法，支持的binning越高，速度也就能提的更高，不過會犧牲解析度——其實它就是把幾個像素當作一個像素計算，比如2X2，就是把4個像素當作一個像素。

曝光時間：

支持的時間越長，在拍攝弱光的時候會好些；至於說最小曝光時間，原理上可以側面反應CCD的靈敏度，但是需要參考的條件比較多。

GAIN：

一個信號放大的參數，GAIN越大，所需要的曝光時間也就越短，但是相應的噪音也就會增加。

套用

含格狀排列像素的CCD套用於數位相機、光學掃瞄儀與攝影機的感光組件。其光效率可達70%（能捕捉到70%的入射光），優於傳統軟片的2%，因此CCD迅速獲得天文學家的大量採用。

冷CCD相機拍攝的天體圖

圖像經透鏡成像於電容數組表面後，依其亮度的強弱在每個電容單位上形成強弱不等的電荷。傳真機或掃瞄儀用的線性CCD每次捕捉一細長條的光影，而數位相機或攝影機所用的平面式CCD則一次捕捉一整張圖像，或從中截取一塊方形的區域。一旦完成曝光的動作，控制電路會使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個單元，到達邊緣最後一個單元時，電信號傳入放大器，轉變成電位。如此周著復始，直到整個圖像都轉成電位，取樣並數位化之後存入存儲器。存儲的圖像可以傳送到印表機、存儲設備或顯示屏。經冷凍的CCD同時在1990年代初亦廣泛套用於天文攝影與各種夜視設備，而各大型天文台亦不斷研發高像數CCD以拍攝極高解像之天體照片。

CCD在天文學方面有一種奇妙的套用方式，能使固定式的望遠鏡發揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致，速度也同步，以CCD導星不僅能使望遠鏡有效糾正追蹤誤差，還能使望遠鏡記錄到比原來更大的視場。

一般的CCD大多能感應紅外線，所以派生出紅外線圖像、夜視設備、零照度（或趨近零照度）攝影機/照相機等。為了減低紅外線干擾，天文用CCD常以液態氮或半導體冷卻，因室溫下的物體會有紅外線的黑體輻射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備CCD的數位相機或錄影機若沒加裝紅外線濾鏡，很容易拍到遙控器發出的紅外線。降低溫度可減少電容數組上的暗電流，增進CCD在低照度的敏感度，甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升（信噪比提高）。

溫度噪聲、暗電流（dark current）和宇宙輻射都會影響CCD表面的像素。天文學家利用快門的開闔，讓CCD多次曝光，取其平均值以緩解干擾效應。為去除背景噪聲，要先在快門關閉時取圖像信號的平均值，即為“暗框”（dark frame）。然後打開快門，取得圖像後減去暗框的值，再濾除系統噪聲（暗點和亮點等等），得到更清晰的細節。

天文攝影所用的冷卻CCD照相機必須以接環固定在成像位置，防止外來光線或震動影響；同時亦因為大多數圖像平台生來笨重，要拍攝星系、星雲等暗弱天體的圖像，天文學家利用“自動導星”技術。大多數的自動導星系統使用額外的不同軸CCD監測任何圖像的偏移，然而也有一些系統將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學設備把主鏡內部份星光加進相機內另一顆CCD導星設備，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差，並自動調整驅動馬達以矯正誤差而不需另外設備導星。

趨勢

如今利用互補金屬氧化物半導體的製程，已能製造實用的主動像素感測器（Active Pixel Sensor）。CMOS是所有矽晶片製作的主流技術，CMOS感光組件不但造價低廉，也能將信號處理電路集成在同一部設備上。後一特性有助於濾除背景噪聲，因為CMOS比CCD更容易受噪聲干擾。這部份的困擾現時已漸漸解決，這要歸功於使用個別像素的低級放大器取代用於整片CCD數組的單一高級放大器。CMOS感光組件跟CCD相比，耗電量較低，數據傳輸亦較快。於高解析度數字攝影機與數位相機，尤其是片幅規格較大的數碼單眼相機更常見到CMOS的套用，另外消費型數位相機亦開始使用背面照射式CMOS，使成像得以提升，背面照射式CMOS的出現使CCD的占有率不斷下降，但是數字中片幅產品、高級相片掃瞄器以及軍方器材仍然為CCD所壟斷。