CCD，英文全稱：Charge-coupledDevice，中文全稱：電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數字信號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。CCD圖像傳感器1/14/20231CCD-電荷耦合器件，它具備光電轉換、信息存貯和傳輸等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態范圍大等優點。CCD圖像傳感器被廣泛應用于生活、天文、醫療、電視、傳真、通信以及工業檢測和自動控制系統。

1/14/20232CCD的基本工作原理一個完整的CCD器件由光敏元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時，在設定的積分時間內，光敏元對光信號進行取樣，將光的強弱轉換為各光敏元的電荷量。取樣結束后，各光敏元的電荷在轉移柵信號驅動下，轉移到CCD內部的移位寄存器相應單元中。移位寄存器在驅動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處理設備中，可對信號再現或進行存儲處理。

1/14/20233CCD的加工工藝有兩種，一種是TTL工藝，一種是CMOS工藝，前者是毫安級的耗電量，而后者是微安級的耗電量。TTL工藝下的CCD成像質量要優于CMOS工藝下的CCD。

1/14/20234CCD廣泛應用在數碼攝影、天文學，尤其是光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術如Luckyimaging。CCD在攝像機、數碼相機和掃描儀中應用廣泛，只不過攝像機中使用的是點陣CCD，即包括x、y兩個方向用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用的是線性CCD，它只有x一個方向，y方向掃描由掃描儀的機械裝置來完成。1/14/20235

英美科學家分享2009年諾貝爾物理學獎2009年10月6日，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2009年諾貝爾物理學獎授予英國華裔(中國香港)科學家高錕以及美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯。瑞典典皇家科學院說:“高錕在有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就，他將獲得今年物理學獎一半的獎金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發明了半導體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享今年物理學獎另一半獎金。”1/14/20236CCD工作原理CCD的工作原理由微型鏡頭、分色濾色片、感光層等三層，

1/14/202371.微型鏡頭（第一層）微型鏡頭為CCD的第一層，我們知道，數碼相機成像的關鍵是在于其感光層，為了擴展CCD的采光率，必須擴展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫質下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。

因此感光面積不再因為傳感器的開口面積而定，而改由微型鏡片的表面積來決定。1/14/20238

2.分色濾色片（第二層）兩種方法：一是RGB原色分色法，另一個則是CMYK補色分色法RGB（Red,Green，Blue）三原色分色法，幾乎所有人類眼睛可以識別的顏色，都可以通過紅、綠和藍來組成。用三個通道調色。優點：畫質銳利，色彩真實。缺點：是噪聲問題，采用原色CCD的數碼相機，在ISO感光度上多半不會超過400yellow黃-，cyan青，magenta品紅CMYK（青C、品紅M、黃Y、黑K）由四個通道的顏色配合而成。優點：補色CCD多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較細，感光度一般可設定在800以上缺點：犧牲了部分影像的分辨率（由于通道多）在印刷業中，CMYK更為適用，但其調節出來的顏色不及RGB多。

1/14/20239感光原件對光的敏感度。數值越高，對光的敏感度越強，需要的光越少（曝光時間短，適合在黑暗中拍照），噪點越大。數值越小，敏感度越弱，需要的光越多，噪點越少。（快門速度、光圈大小、感光度的關系？低ISO時要多光照。）在光學中指兩種色光以適當地比例混合而能產生白色感覺時，則這兩種顏色就稱為“互為補色”

三原色：紅、綠、藍R、G、B三補色：青、品、黃C、M、Y所謂一種原色的補色即為除此原色外另外兩種原色的和色。三原色中，紅與綠的和色為黃，綠與藍的和色為青，紅與藍的和色為品。1/14/202310紅綠藍品紅黃青互為補色對照表1/14/2023113.CCD感光層（第三層）負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。CCD芯片就像人的視網膜，是攝像頭的核心。目前我國尚無能力制造，市場上大部分攝像頭采用的是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生產的芯片，現在韓國三星等也有能力生產，但質量就要稍遜一籌。因為芯片生產時產生不同等級，各廠家獲得途徑不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。1/14/202312CCD的選購：檢測方法：1、接通電源，連接視頻電纜到監視器，關閉鏡頭光圈，看圖像全黑時是否有亮點，屏幕上雪花大不大。2、然后打開光圈，看一個靜物，如果是彩色攝像頭，最好攝取一個色彩鮮艷的物體，查看監視器上的圖像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。好的CCD可以很好的還原景物的色彩，使物體看起來清晰自然；3、而殘次品的圖像就會有偏色現象，即使面對一張白紙，圖像也會顯示藍色或紅色。個別CCD由于生產車間的灰塵，CCD靶面上會有雜質，在一般情況下，雜質不會影響圖像；4、在弱光或顯微攝像時，細小的灰塵也會造成不良的后果，一定要仔細挑選。1/14/202313CCD傳感器的分類：1．成像色彩劃分：彩色/黑白2．成像分辨率劃分：像素多少，達到2000萬像素3．按CCD靶面大小劃分？4．按掃描制式劃分：PAL制、NTSC制。NTSC是日本美國采用的；PLA是我國歐洲采用的。ntsc制每秒鐘有29.97幀。pal制每秒鐘有25幀。ntsc與pal制都為隔行掃描。因此都含有場。ntsc為偶數場。pal為奇數場。可簡單理解為ntsc的第一幀顯示為2，4，6，8……行。pal的第一幀顯示為1，3，5，7，9……行具體數據非常多，了解基本就行。對于一般而言主要是幀和分辨率的差異5．按供電電源劃分：110VAC；220VAC；24VAC；12VDC；9VDC（微型攝像機多屬此類）。6．按同步方式劃分：內同步；外同步；功率同步；外VD同步；7．按照度劃分：普通型需照度1~3LUX；月光型需照度0.1LUX；星光型需照度0.01LUX以下；紅外型，在沒有光線的情況下也可以成像1/14/202314按CCD靶面大小劃分1英寸——靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對角線16mm。2/3英寸——靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對角線11mm。1/2英寸——靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對角線8mm。1/3英寸——靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對角線6mm。1/4英寸——靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對角線4mm。目前采用的芯片大多數為1/3”和1/4”1/14/202315CCD彩色攝像機的主要技術指標：尺寸：原多為1/2英寸，現在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。像素：

決定顯示圖像的清晰程度，分辨率越高，圖像細節的表現越好。38萬像素以上為高清晰度攝像機。水平分辨率：彩色攝像機的典型分辨率是在320到500電視線之間，主要有330線、380線、420線、460線、500線等不同檔次。通常規律是1MHz的頻帶寬度相當于清晰度為80線。頻帶越寬，圖像越清晰，線數值相對越大。最小照度：也稱為靈敏度。正常成像時所需要的最暗光線。需要的光線越少，攝像頭也越靈敏。月光級和星光級等高增感度攝像機可工作在很暗條件，2~3lux屬一般照度，現在也有低于1lux的普通攝像機問世。信噪比：典型值為46db，若為50db，則圖像有少量噪聲，但圖像質量良好；若為60db，則圖像質量優良，不出現噪聲。

1/14/202316三線傳感器CCD

三線傳感器CCD：在三線傳感器中，三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡，當捕捉彩色圖片時,完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用于高端數碼相機，以產生高的分辨率和光譜色階。用三片CCD和分光棱鏡組成的3CCD系統能將顏色分得更好，分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光，由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業級數碼攝影機，和一部份的半專業級數碼攝影機采用3CCD技術。目前，超高分辨率的CCD芯片仍相當昂貴，配備3CCD的高解析靜態照相機，其價位往往超出許多專業攝影者的預算。1/14/202317

在數碼相機領域，CCD的應用更是異彩紛呈。一般的彩色數碼相機是將拜爾濾鏡（Bayerfilter）加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結果每個像素都接收到感光訊號，但色彩分辨率不如感光分辨率。經冷凍的CCD（冷CCD)同時在1990年代初亦廣泛應用于天文攝影與各種夜視裝置，而各大型天文臺亦不斷研發高像數CCD以拍攝極高解像之天體照片。一般的CCD大多能感應紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度(或趨近零照度)攝影機/照相機等。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備CCD的數碼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。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。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流，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。1/14/202318MOS電容器組成的光敏元

及數據面的顯微照片CCD光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器的數據面顯微照片1/14/202319

彩色CCD光敏元顯微照片（放大7000倍）1/14/202320CCD圖像傳感器的分類

線陣CCD外形

1/14/202321面陣CCD

面陣CCD能在x、y兩個方向都能實現電子自掃描，可以獲得二維圖像。

1/14/202322面陣CCD外形（續）200萬和1600萬像素的面陣CCD

1/14/202323面陣CCD外形（續）

1/14/202324面陣CCD外形（續）

1/14/202325CCD的基本特性參數

CCD的基本特性參數有：光譜響應、動態范圍、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素數目相同的條件下，像素點大的CCD芯片可以獲得更好的拍攝效果。大的像素點有更好的電荷存儲能力，因此可提高動態范圍及其他指標。

1/14/202326CCD圖像傳感器的應用

線陣CCD在掃描儀中的應用

1/14/202327線陣CCD在圖像掃描中的應用

線陣CCD攝像機可用于彩色印刷中的套色工藝監控

風云一號衛星可以對地球上空的云層分布進行逐行掃描1/14/202328線陣CCD用于字符識別1/14/202329CCD數碼照相機

數碼相機簡稱DC，它采用CCD作為光電轉換器件，將被攝物體的圖像以數字形式記錄在存儲器中。數碼相機從外觀看，也有光學鏡頭、取景器、對焦系統、光圈、內置電子閃光燈等，但比傳統相機多了液晶顯示器（LCD），內部更有本質的區別，其快門結構也大不相同。

1/14/202330CCD用于圖像記錄

1/14/202331數碼相機的外形1/14/202332三基色分離原理

CCD數碼照相機的結構1/14/202333數碼相機的結構解剖

（索尼F828）CCD1/14/202334CCD數碼顯微鏡拍攝的金屬表面顯微照片1/14/202335CCD數碼攝像機

1/14/202336CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是采用互補金屬-氧化物-半導體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡稱CMOS。現在市售的視頻攝像頭多使用CMO