CCD的概念

• CCD的英文全稱是“Charge-coupledDevice”，中文全稱是電行耦合元件，通常稱為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CCO上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD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行轉給它相鄰的電容。 　

• CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為模擬電流信號，電流信號經過放大和模數轉換，實現圖像的獲取.存儲、傳輸.處理和重現

普通數碼相機的CCD大小

通常CCD分為四種尺寸，由大到小依次為：APS、2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸。

CCD

CCD圖像傳感器的特點

(1)體積小重量輕

(2)功耗小，工作電壓低;抗沖擊與震動，性能穩定，壽命長

(3)靈敏度高，噪聲低，動態范圍大

(4)響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像

(5)應用超大規模集成電路工藝技術生產，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產成本低。

功能

• CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為模擬電流信號，電流信號經過放大和模數轉換，實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。

• 許多采用光學方法測量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。

• CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分，其光敏區是MOS電容或光敏二極管結構，生產工藝相對較簡單。它由光敏區陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現實時控制，但獲取信息量小，不能處理復雜的圖像。面陣CCD的結構要復雜得多，它由很多光敏區排列成一個方陣，并以一定的形式連接成一個器件，獲取信息量大，能處理復雜的圖像。

應用

• 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Lucky imaging。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。

應用（在攝影方面的）

• 含格狀排列像素的CCD應用于數碼相機、光學掃瞄儀與攝影機的感光元件。其光效率可達70%（能捕捉到70%的入射光），優于傳統菲林（底片）的2%，因此CCD迅速獲得天文學家的大量采用。

• 數碼相機或攝影機所用的平面式CCD則一次捕捉一整張影像，或從中擷取一塊方形的區域。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，到達邊緣最后一個單元時，電荷訊號傳入放大器，轉變成電位。如此周而復始，直到整個影像都轉成電位，取樣并數位化之后存入內存。儲存的影像可以傳送到打印機、儲存設備或顯示器。

• 當前，超高分辨率的CCD芯片仍相當昂貴，配備3CCD的靜態照相機，其價位往往超出許多專業攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡。

• 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；同時亦因為大多數影像平臺生來笨重，要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像，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監測任何影像的偏移，然而也有一些系統將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學裝置把主鏡內部份星光加進相機內另一顆CCD導星裝置，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差，并自動調整驅動馬達以矯正誤差而不需另外裝置導星。

應用（其他領域）

• 經冷凍的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素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應用方式，能使固定式的望遠鏡發揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。

• 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。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。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（信噪比提高）。

CMOS概念

• CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補金屬氧化物半導體）的縮寫。它是指制造大規模集成電路芯片用的一種技術或用這種技術制造出來的芯片。是電腦主板上的一塊可讀寫的RAM芯片。因為可讀寫的特性，所以在電腦主板上用來保存BIOS設置完電腦硬件參數后的數據，這個芯片僅僅是用來存放數據的。

• 在今日，CMOS制造工藝也被應用于制作數碼影像器材的感光元件，尤其是片幅規格較大的單眼數碼相機。雖然在用途上與過去CMOS電路主要作為固件或計算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工藝，只是將純粹邏輯運算的功能轉變成接收外界光線后轉化為電能，再透過芯片上的模數轉換器（ADC）將獲得的影像訊號轉變為數碼訊號輸出。

CMOS

優勢

• 允許的電源電壓范圍寬，方便電源電路的設計

• 邏輯擺幅大，使電路抗干擾能力強

• 靜態功耗低

• 隔離柵結構使CMOS期間的輸入電阻極大，從而使CMOS期間驅動同類邏輯門的能力比其他系列強得多

CMOS與CCD對比

CMOS

1. 主要運用于低端攝像頭產品

2. 讀出速度快

3. 信號讀取簡單

4. 耗電量非常小（很大優勢）

5. 圖像質量受干擾程度大（成像質量較低）

6. 制作成本相對較低

7. 噪音高

8. 集成性高

CCD

1. 運用于高端攝像頭

2. 讀出速度慢

3. 信號讀取比較困難

4. 耗電量大

5. 成像質量高

6. 制作成本高，制造工藝復雜

7. 噪音低

8. 集成性低

具體對比

1)信息讀取方式

?CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。CMOS光電傳感器經光電轉換后直接產生電流(或電壓)信號，信號讀取十分簡單。

2)速度

?CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢;而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

3)電源及耗電量

?CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大;CMOS光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優勢。

4)成像質量

?CCD電荷耦合器制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅(SiO2)隔離層隔離噪聲，成像質量相對CMOS光電傳感器有一定優勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

5) 成本

由兩種感光器件的工作原理可以看出，CCD(電荷藕合器件圖像傳感器：Charge Coupled Device)，它的優勢在于成像質量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。 在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作為感應器;CMOS感應器則作為低端產品應用于一些攝像頭上，一時間，是否具有CCD感應器甚至變成了人們判斷數碼相機檔次的標準之一。

6）掃描方法

CMOS與CCD的圖像數據掃描方法有很大的差別。例如，如果分辨率為300萬像素，那么CCD傳感器可連續掃描300萬個電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶 從一個人傳給另一個人，并且只有在最后一個數據掃描完成之后才能將信號放大。CMOS傳感器的每個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此，CMOS傳感器可以在每個像素基礎上進行信號放大，采用這種方法可節省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進行快速數據掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術。

7）噪聲

由于CMOS圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大。隨著CMOS電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

8）具體運用

在數字影像領域，CMOS作為一種低成本的感光元件技術被發展出來，市面上常見的數碼產品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端攝像頭產品，而通常高端攝像頭都是CCD感光元件。

CCD與CMOS的具體參數對比

TTL

CCD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。

TTL是英文Through The Lens的縮寫，翻譯過來就是通過鏡頭進行測量曝光方式的閃光燈系統。TTL的工作原理是首先光線通過鏡頭并被CCD所反射，而閃光燈感應器在會在曝光期間持續不斷地進行測光，直到獲得正確的曝光量。TTL的最大優勢就是可以讓用戶在來不及估計距離，調整光圈的情況下，都可以保證相機閃光燈曝光正確。

第一臺TTL測光相機

"TTL測光"技術起源于1964年，當時人們外出拍攝時都需要攜帶一塊測光表，先測光之后再設定相機的光圈值以及快門值，隨后進行拍攝，整個過程比較煩瑣。而"TTL測光"正好解決了這個問題。在拍攝時，攝影師半按快門，相機啟動TTL測光功能，入射光線通過相機的鏡頭以及反光板折射，進入機身內置的測光感應器，這塊測光感應器和CCD或者CMOS的工作原理類似，將光信號轉換為電子信號，再傳遞給相機的處理器運算，得到一個合適的光圈值和快門值。用戶完全按下快門，相機按照處理器給出的光圈值和快門值自動拍攝

TTL測光"最大的優勢就是，"TTL測光"得到的通光量就是標準底片的曝光參數，如果相機前面加裝了濾鏡，"TTL測光"得出的測光數值和不加濾鏡時是不同的，用戶此時不需要根據相機加裝的濾鏡重新調節曝光補償，只需要直接按下快門拍照即可。

大多數的數碼相機或傳統傻瓜相機，大多數都具備這幾種測光方式:中央平均測光、中央局部測光、點測光以及評價測光。這幾種測光方式基本可以應付目前所有的拍攝，但是在影樓以及一些專業場合或者廣告拍攝，攝影師依舊依賴測光表的數值來進行拍攝。

下一次的百科就來說說數碼相機的測光方式