CCD相机的原理、结构及功能

CCD技术在影像传感中的应用最为广泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。CCD是理想的相机元件，以其构成的CCD相机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。

CCD是70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。美国贝尔实验室的Boyle和Smith于1970年提出了CCD的概念，随后建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD的基本理论。

CCD本身是一种半导体器件构思上的创新。因为CCD基本参数是电荷，不是电流或电压。这就在其间的外电路及信号处理方面引进了令人感兴趣的新概念和新技术。CCD技术是一项具有广泛应用前景的新技术，CCD技术取得的惊人进展足以说明这一点。CCD一经出现，人们对他在摄像、信号处理和存储三大领域的应用十分重视。特别是在传感器方面的应用取得了令人瞩目的发展，已成为现代光电及现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴领域。

CCD图像传感器因具有图像识别、图像获取等功能及其像元尺寸小(低费用)、低噪声、低暗电流、高灵敏度、宽光谱响应等优点，使其迅速并广泛应用于各个领域，在军事应用方面，如用于目标定位、空间遥感、精确制导、卫星侦察、军事电子对抗等;在天文物理学方面，用于对行星的观察和对宇宙射线的探测;在民用方面，如气象卫星、资源卫星利用CCD来获取资源、气象信息，还可以用于工业检测和监控、医学诊断，目前几乎所有的市售视频摄像机都是基于CCD的，如CCD相机等。

而且CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，在现代光子学，光电检测技术和现代测试技术领域中，成果累累，方兴未艾。

1、用CCD相机拍摄景物时，景物反射的光线通过CCD相机的镜头透射到CCD上。

2、当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生。

3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD相机会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。

4、经过放大和滤波后的电信号被送到A/D，由A/D将电信号(此时为模拟信号)转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据了。

5、不过单依靠上一步所得到的图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器(DSP)。在DSP中，这些图像数据被进行色彩校正、白平衡处理(视用户在CCD相机中的设定而定)等后期处理，编码为相机所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后才会被存储为图像文件。

6、最后，图像文件就被写入到CCD相机的存储器上(内置或外置存储器)。

CCD相机是指包含CCD芯片和AD前端处理部分的电路和结构。主要由CCD芯片、驱动电路、信号处理电路、电子接口电路、光学机械接口等构成。CCD相机各部分的功能如下：

CCD芯片：CCD芯片是CCD相机的核心元件，主要在驱动脉冲的作用下，实现光电荷的转换、存储、转移及输出等功能。

驱动电路：CCD相机的驱动电路一般由晶振、时序信号发生器、垂直驱动器等构成，主要为CCD提供所需的脉冲驱动信号。同时，还为信号处理电路提供钳位、复合同步、复合消隐、采样/保持等脉冲信号。

信号处理电路：主要完成CCD相机输出信号的AGC、视频信号的合成、A/D转换等功能。CCD相机的输出信号输入至信号处理电路、经信号处理后转换为所需要的信号输出。

接口电路：CCD相机的接口电路主要将来自外部的控制信号转换为相应的相机控制信号，并反馈至时序发生电路、信号处理电路，从而对相机的工作状态进行有效的控制。同时。接口电路还可将时序发生器所产生的各种驱动时序输出，从而可被图像采集系统用于对图像采集的控制。

机械光学接口：主要提供与CCD相机各种光学镜头的机械连接，从而实现光学系统与CCD的耦合。

光学镜头通过相机的机械光学接口，将目标成像在CCD的光敏面上，在驱动电路所提供的驱动脉冲的作用下，CCD完成光电荷的转换、存储、转移和读取过程，从而将二维的光学信息转换为一维的电信号输出;信号处理电路主要接收来自CCD的一维电信号，并进行采样保持、CDS(相关双采样)、AGC、A/D转换等处理，而后进行视频信号的合成，即将CCD所输出的电信号转换为所需要的视频格式输出;高端CCD相机均提供了相应的接口电路，允许用户对相机的工作过程进行有效的控制。

CCD传感器工作时输出的图象信号为模拟信号，可以通过监视器直接观看。当今各种图象处理都是以数字图象信号为基础，因此相机内部包含了模数转换单元将CCD模拟输出的每个像元的灰度值转换为数字式的象素值输出。CCD相机数字图像可以直接传输到PC机、DSP或FPGA等系统进行处理和显示等。