CCD原理
CCD工作原理
CCD工作原理一、简介CCD（Charge-Coupled Device）是一种常见的图像传感器，广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等设备中。
CCD工作原理是基于电荷耦合的概念，通过将电荷从一个像素传输到另一个像素来捕捉和存储图像。
二、CCD结构CCD由感光单元阵列、垂直传输寄存器（VCCD）、水平传输寄存器（HCCD）和输出寄存器组成。
1. 感光单元阵列：感光单元阵列由大量的光敏元件组成，每个光敏元件对应图像的一个像素。
当光照射到光敏元件上时，光敏元件会产生电荷。
2. 垂直传输寄存器（VCCD）：垂直传输寄存器负责将感光单元阵列中的电荷传输到水平传输寄存器。
3. 水平传输寄存器（HCCD）：水平传输寄存器负责将电荷从VCCD传输到输出寄存器。
4. 输出寄存器：输出寄存器将电荷转换为电压信号，并输出给外部电路进行处理。
三、CCD工作过程CCD工作过程主要包括曝光、读取和重置三个阶段。
1. 曝光阶段：在曝光阶段，感光单元阵列暴露在光源下，光照射到感光单元上，产生电荷。
电荷的数量与光的强度成正比。
2. 读取阶段：在读取阶段，通过控制VCCD和HCCD的电压，电荷从感光单元阵列传输到输出寄存器。
水平传输寄存器将电荷逐行传输到输出寄存器，形成电荷序列。
3. 重置阶段：在重置阶段，通过给感光单元阵列施加正向电压，将感光单元中的残留电荷清空，为下一次曝光做准备。
四、CCD优势和应用1. 高灵敏度：CCD具有高光电转换效率和低噪声特性，能够捕捉到细节丰富的图像。
2. 高分辨率：CCD具有较高的像素密度，能够提供清晰的图像细节。
3. 宽动态范围：CCD能够同时处理较暗和较亮的场景，减少图像过曝或欠曝的情况。
4. 快速响应：CCD具有快速的读取速度，能够实时捕捉和传输图像。
CCD广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等领域。
在数码相机中，CCD将光信号转换为电荷信号，并通过数字信号处理器将电荷信号转换为数字图像。
在摄像机中，CCD能够实时捕捉和传输图像，用于视频监控、电视广播等领域。
CCD工作原理
CCD工作原理1. 概述CCD（电荷耦合器件）是一种用于光电转换的半导体器件，广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等光学设备中。
它通过将光信号转换为电荷信号，进而转换为数字信号，实现图像的采集和处理。
本文将详细介绍CCD的工作原理及其相关技术。
2. CCD的结构CCD主要由感光单元、读出电路和控制电路三部分组成。
感光单元：感光单元是CCD的核心部分，由大量的光敏元件（光电二极管）组成。
当光线照射到感光单元上时，光敏元件会产生电荷。
感光单元的结构可以分为间隔式和面阵式两种，其中面阵式CCD是最常见的类型。
读出电路：读出电路负责将感光单元中的电荷信号转换为电压信号，并进行放大和处理。
读出电路通常由多级放大器和模数转换器组成。
控制电路：控制电路用于控制CCD的工作模式、时序和参数等。
它包括时钟发生器、控制逻辑电路和接口电路等。
3. CCD的工作原理CCD的工作原理可以分为光电转换和电荷传输两个过程。
光电转换：当光线照射到CCD的感光单元上时，光敏元件会吸收光能，产生电子-空穴对。
其中，电子会被感光单元中的电场束缚住，形成电荷，而空穴则会被扩散到P型区域。
电荷传输：CCD中的电荷传输是通过改变电场分布来实现的。
在感光单元中，电子通过电荷耦合器件（CCD的核心结构之一）传输到读出电路中。
电荷耦合器件是由一系列的电荷传输阱组成，通过改变电势来控制电荷的传输。
在读出电路中，电荷信号被转换为电压信号，并经过放大和处理。
最终，经过模数转换器的转换，数字信号被传输到后续的图像处理系统中。
4. CCD的工作模式CCD的工作模式主要包括曝光、读出和清除三个阶段。
曝光：在曝光阶段，感光单元中的电荷被光线激发产生，并通过电荷传输到读出电路中。
曝光时间的长短决定了感光单元中电荷的积累量，从而影响图像的亮度和细节。
读出：在读出阶段，读出电路将感光单元中的电荷信号转换为电压信号，并进行放大和处理。
读出时间的长短决定了图像的帧率和传输速度。
ccd基本工作原理
ccd基本工作原理
CCD（电荷耦合器件）是一种光敏器件，常用于数字相机和
视频摄像机等光学成像设备中，其工作原理如下：
1. 光子转化：在CCD上的感光表面，光子与半导体材料相互
作用，使之形成电子空穴对。
光子的能量被转化为电荷。
2. 电荷传输：通过外部的时序脉冲控制，电荷从感光表面通过电荷耦合器件逐行向传感器的输出端传输。
这一过程被称为“行读出”。
3. 电荷放大：在电荷传输的过程中，电荷会被传输放大器放大，增强信号的强度。
4. 行复位：在行读出结束后，CCD的每一行电荷需要被复位
到其初始电位，以进行下一行的光电信号读出。
5. 列读出：经过多行的行读出后，CCD的图像被分割成多个
像素点的排列，通过对每个像素点进行列读出来获取完整图像。
列读出的过程通过增益放大器和模数转换器来完成。
总结起来，CCD的基本工作原理就是将光子转化为电荷，通
过电荷传输控制将电荷逐行读出，并经过电荷放大和列读出来获得完整的图像。
ccd 工作原理
ccd 工作原理
ccd（电荷耦合器件）是一种图像传感器，它是基于光电转换
和电荷传输原理工作的。
ccd的工作主要分为光电转换和电荷
传输两个过程。
在光电转换过程中，ccd的表面覆盖着一层由硅制成的感光薄膜。
当外界光线照射到感光薄膜上时，光子会被感光薄膜吸收，并激发出电子 - 空穴对。
这些电子 - 空穴对会被感光薄膜内的电场和电位差作用下分离，电子被聚集在感光薄膜下方的势阱内，而空穴则被吸引到势阱上方。
感光薄膜上的每一个像素点都有一个对应的势阱，用于收集和存储来自光电转换的电荷。
接下来是电荷传输过程。
ccd内部有一系列的传输脉冲信号，
这些信号作用于ccd中的势阱，控制和引导势阱内的电荷的传输。
首先，一个重置脉冲信号被发送到势阱，将其中的电荷清零。
随后，一个移位脉冲信号被发送，将电荷从一个势阱传输到相邻的势阱中。
通过不断重复这一过程，电荷可以在ccd内
部被移动和传输。
当光源照射完整个ccd感光区域后，感光薄膜中的电荷将被逐
一传输到ccd的输出端，形成一个电荷包。
最后，这个电荷包
经过放大和采样，转换成一个模拟电压信号。
总的来说，ccd通过光电转换将光子转化为电荷，然后通过电
荷传输的方式将电荷逐一传输到ccd的输出端，从而实现图像的捕获和转换。
ccd原理
ccd原理CCD是英文Charge-Coupled Device的缩写，即电荷耦合器件。
CCD元件是一种集成类的半导体器件，由费米接触PN结和掺杂的金属导电层构成，它可以将光电信号转换成电荷信号，然后进行放大、转换、存储、输出等多种处理方式。
下面我们来详细介绍一下CCD元件的原理。
1.感光原理CCD元件的探测面是由一排排硅晶体组成的，外表面覆盖有一层感光镀层。
当光线照射到感光表面时，产生的光电子被立即吸收到带电区域内，这样就产生了一个电荷包，也就是所谓的感光效应。
这些电荷包可以被转移至控制端，经过放大后被送入数据线上。
2.电荷转移原理在CCD元件中，物理上存在一个梯级势场。
这个梯级势场可以用来传递电子，因为电子会向较低电位的地方流动。
电荷包的传递是通过控制提取脉冲波的方式来实现的，这些脉冲波可以控制电荷包在感光平面上的传输方向。
在传输过程中，电荷包会在不停地减小，这样可以实现对光强信号的放大效果。
这也会导致CCD的灵敏度受到限制，因为电荷包在传输过程中会因摩擦损失而产生一些噪声信号。
3.时钟信号和控制信号CCD元件中的转移操作是通过在探测器上组成的电极上施加时钟信号来完成的。
这些时钟信号是预制的信号波形，可以控制电荷包的传输和处理。
所有的控制信号都是通过一个复杂的计时电路来向CCD传递的。
这个电路可以确保所有的信号都按时地输入和处理，以保证最终输出的影像质量。
4.影像输出原理CCD元件的输出信号是通过A/D转换器来完成的，这样就可以将电荷包转化为数字信号。
我们也可以通过改变控制脉冲波调整定量输出的参数，这样就可以获得更准确的影像信息。
5.总结综上所述，CCD元件的原理是将光信号转化为电荷信号，在经过CCD控制器控制和处理归整后输出为数字信号，这样就可以获得高质量的影像数据。
CCD元件的技术优点是噪音小、动态范围大、灰度级丰富、灵敏度高等，因此在相机、扫描仪、望远镜等领域有广泛的应用。
CCD工作原理
CCD工作原理
CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于光电转换的半导体器件，广泛应用
于数码相机、摄像机和光谱仪等光学设备中。
CCD工作原理是指CCD器件如何将
光信号转换为电信号，并最终输出图象的过程。
1. 光电转换
CCD器件的核心是由大量光敏二极管组成的像元阵列（Pixel Array）。
当光照
射到像元阵列上时，光子会被吸收，并激发出电子-空穴对。
这些电子会被存储在
每一个像元对应的电荷耦合器件中。
2. 电荷转移
CCD器件中的电荷耦合器件是由一系列电荷传输门组成的。
这些传输门可以
将电荷从一个像元传输到相邻的像元。
通过逐行顺序地打开和关闭传输门，电荷可以被逐行传输到CCD芯片的顶部。
3. 电荷放大
一旦电荷被传输到CCD芯片的顶部，它们就会进入读出电路。
在读出电路中，电荷会经过一系列的放大器进行放大。
这样可以增加电荷的信噪比，提高图象的质量。
4. 数字化处理
经过放大的电荷信号会被转换为数字信号。
这个过程包括模数转换器（ADC）
将电荷信号转换为数字值，并将其存储在内存中。
通过对每一个像元的电荷进行转换和存储，整个图象可以被完整地捕获和保存。
总结：
CCD工作原理可以简单概括为光电转换、电荷转移、电荷放大和数字化处理四个步骤。
通过这些步骤，CCD器件能够将光信号转换为电信号，并最终输出高质量的图象。
这种工作原理使得CCD在数码相机、摄像机和光谱仪等光学设备中得到广泛的应用。
CCD工作原理
CCD工作原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种光电转换器件，广泛应用于数码相机、摄像机、天文望远镜等领域。
CCD工作原理是指CCD如何将光信号转换为电信号的过程。
下面将详细介绍CCD工作原理的标准格式文本。
一、CCD的基本结构CCD由一系列的电荷传输单元组成，每个单元都是一个电荷集合区和一个电荷传输区。
电荷集合区用于接收光信号，而电荷传输区用于将电荷传输到下一个单元。
二、光信号的转换过程1. 光信号的捕获当光照射到CCD的感光面上时，光子会激发感光元件中的电荷。
感光元件通常由硅制成，其表面涂有光敏材料。
光敏材料吸收光子后会产生电子-空穴对，其中电子会被捕获并形成电荷。
2. 电荷的收集电荷集合区位于感光元件下方，当光信号激发的电荷进入电荷集合区时，电荷会被收集并存储在该区域中。
电荷集合区的容量决定了CCD的灵敏度。
3. 电荷的传输电荷传输区负责将电荷从一个单元传输到相邻的单元。
传输过程通过调整电压来实现，通常使用时钟信号来控制电荷的传输。
电荷传输区的设计和工艺对CCD 的分辨率和噪声性能有重要影响。
4. 电荷的放大和读出当电荷传输到CCD的输出端时，电荷会被放大并转换为电压信号。
这个过程通常通过源随随机接入（source-follower）放大器来实现。
放大后的电压信号可以通过模数转换器（ADC）转换为数字信号，进而被处理和存储。
三、CCD的工作模式CCD有两种常见的工作模式：隔行扫描模式和全帧扫描模式。
1. 隔行扫描模式在隔行扫描模式下，CCD先扫描奇数行的像素，然后再扫描偶数行的像素。
这种模式适用于捕捉运动较快的场景，可以减少运动模糊。
2. 全帧扫描模式在全帧扫描模式下，CCD按照从上到下的顺序扫描每一行像素。
这种模式适用于静态场景的拍摄，可以获得更高的图像质量。
四、CCD的特点和应用领域1. 高灵敏度：CCD可以捕捉微弱的光信号，适用于低光条件下的拍摄。
2. 低噪声：CCD具有较低的噪声水平，可以提供清晰的图像。
CCD摄像机原理
CCD摄像机原理
CCD是一种半导体器件，它由一系列微小的光敏元件象素组成。
每个
像素都可以测量到从光源反射或传输的光能量，并将其转化为电荷。
每个
像素由感光表面和储存结构组成，感光表面用于接收光线，储存结构用于
储存生成的电荷。
1.光敏转换：当光线进入CCD感光表面时，光子会击中敏感层上的光
电导体，并将光能转化为电子。
2.电荷存储：生成的电子将被存储在CCD储存结构中。
CCD通过应用
适当的电压使电子在储存结构中移动和存储。
通常，每个像素都有一个独
立的储存节点。
3.电荷传输：当需要读取像素的光信息时，电子将从储存节点传输到
输出节点。
这个过程通过调整储存节点和输出节点之间的电压差来实现。
4.信号放大：在输出节点上，传输的电荷将被转换为电压信号，并通
过适当的电路进行放大。
5.数字转换：放大的模拟信号被转换为数字信号，并通过输出接口传
输给其他设备，如显示器或计算机等。
然而，CCD摄像机也存在一些限制。
首先，CCD摄像机的成像区域必
须在曝光期间保持稳定，以避免图像模糊。
其次，CCD摄像机的功耗较高，对电源要求较高。
同时，CCD摄像机的制造成本较高，因为它需要复杂的
制造工艺。
总结起来，CCD摄像机利用电荷耦合器件将光能转换为电荷，并通过
电荷的存储、传输、放大和转换等过程获取图像信息。
虽然CCD摄像机具
有高质量的图像和较低的噪声，但仍有一些限制。
随着技术的发展，CMOS 摄像机逐渐取代了CCD摄像机，但CCD摄像机在一些特定领域仍然具有重要的应用价值。
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图左：阶段一，CCD 接受光线的照射产生电荷 / 图右：阶段二，外加电压将 CCD 所『产生』的电荷移往缓冲区 图左：阶段三，电荷转换成电压，电压经 ADC 判读数字讯号 / 图右：阶段 四，依顺序将讯号移往缓冲区组合
CCD工作方式二
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CCD的工作原理
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全帧传输CCD和隔行传输CCD的工作原理
在每个像素单元中，有70％的面积用来制造光电二极管。整个像素的 框内几乎全是感光面积。不需要也没办法放置更大面积的光学镜片来 提高它的采光量。它的读出顺序和隔行传输CCD是一样的。这种结构 的好处是，可以得到尽量大的光电二极管，达到更好的成像质量。可 以说，同样的CCD面积，全帧传输肯定会有更好的性能。全帧传输 CCD在感光器件中的每个光电二极管的有效像素的面积更大，从而可 以捕捉到更多的图像数据。一般而言，全帧传输CCD能够捕捉到的有 效图像数据大约是隔行传输CCD的两倍，从而具有更大的动态范围、 更低的噪点和较高的感光度等优点，从而改善了暗部和高光部分的细 节表现。但是全帧传输CCD不能输入视频图像，不能用液晶屏做取景 器，必须以机械快门配合工作。
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全景Full-Frame
全像 CCD 则是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL 的缺点， FF改良可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增 大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 FF CCD 的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头 入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门 （无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了FF CCD的 连续拍摄能力。Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。
彩色CCD的补色原理
补色CCD由多了一个 Y 黄色滤色器，在色彩 的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像分 辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较 高的感度，一般都可设定在 800以上。
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彩色CCD的感光层
这层主要是负责将穿透滤色层的光 源转换成电子讯号，并将讯号传送 到影像处理芯片，将影像还原。 这个部份可以说是 CCD 真正核心 的部份，主要的 CCD 设计大致上 分成几个区块。被称为画素 Pixel （Photodiodes）感光二极管，主 要是应用于光线感应部份，Gate 区有一部份被用作电子快门，蓝色 区块则是布局为电荷通路，用来传 导电荷之用。白色区块就是 Charge Drain，也有称为 Shielded Shift Registers ，中文或可翻为电 荷储存区，主要功用为收集经二极 管照射光线后所产生之电荷。 未经许可，不得随意拷贝和转发
图像传感器原理介绍
（CCD和CMOS介绍与比较）
2017/3/30
Confidential
1
基础篇
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Image Sensor的分类
Image Sensor的分类有两种： D图像传感器 2.CMOS图像传感器
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CCD图像传感器简介
ＣＣＤ（Charge Coupled Device ，感 光耦合组件简称）
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Frame-Transfer 全传
全传 CCD 的架构则是介于 IL 和 FF 之间的产品，它分成两个部分上 半部分是感光区，下半部则是暂时存储区。整体来说 Frame-Transfer CCD 非常的类似 Full-Frame CCD，它的特点在于直接规划了一个大 型暂存区。一旦FT CCD 运作，它可以迅速将电荷转移到下方的暂存 区中，本身则可以继续曝光拍照。这个设计，让FT 同IL 一样可以使 用电子快门，但同时也可增加感光面积和速度。FT CCD 主要是由 荷 兰 Philips 公司开发，后来技术移转给 SANYO 公司发展成 VPMIX 技 术。三洋对 VPMIX 的改良相当成功，使它的数字相机能兼具静态和 动画的拍摄能力（可达 30 fps 的拍摄速度 - 在动画运用上非常出色）。 此外，FT 型 CMOS 也被应用于 Fill factor CMOS，作为提高高阶 SLR 连拍能力的设计。
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黑白CCD的组成结构图
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彩色CCD的组成结构分图
CCD 的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格 下：感应线路
由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的 电子线路矩阵所组成
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彩色CCD运行图
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彩色CCD运行图说明
是1980年初，由SONY领先发展出来的技术。 这是 为了有效提升CCD 的总画素，又要确保单一画素持 续缩小以维持CCD的标准体积。因此，必须扩展单 一画素的受光面积。但利用提高开口率来增加受光 面积，反而使画质变差。所以，开口率只能提升到 一定的极限，否则CCD将成为劣品。为改善这个问 题 SONY率先在每一感光二极管上（单一画素）装 置微小镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样， 感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改 由微型镜片的表面积来决定。如此一来，可以同时 兼顾单一画素的大小，又可在规格上提高了开口率， 使感光度大幅提升。
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Linear 纯线性
线型CCD是以一维感光点构成，透过步进马 达扫瞄图像，由于照片是一行行组成，所以 速度较使用 2维CCD的数字相机来得慢。这 型CCD 大多用于平台式扫描仪之上。
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Interline Transfer 扫瞄型
CCD 的曝光步骤就如同前面所介绍的相同， IL 型 CCD 的优点在于曝光后即可将电荷储 存于缓存器中，组件可以继续拍摄下一张 照片，因此速度较快，目前的反应速度以 已经可达每秒 15张以上。相对性的缺点则 是暂存区占据了部份感光面积，因此动态 范围（Dynamic Range - 系统最亮与最暗 之间差距所能表现的程度）较小。不过， 由于速度快、成本低，市面上超过 8 成以 上的数字相机都采用 IL 型 CCD 为感光组 件
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CCD工作方式 三
曝光之后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位缓 存器中，并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取 出来。这些强弱不一的电荷讯号，会先被送入一个 QV（Electron to voltage converte）之中，将电荷转 换成电压；下一步再将电压送入放大器中进一步放大， 然后才是 A/D 模拟数字讯号转换器（ADC Analog to Digital Converter）。ADC转换器能将信号的连续范 围配合色块码赛克的分布，转换成一个2D的平面表 示列，它让每个画素都有一个色调值，应用这个方法， 再由点组成网格，每一个点（画素）现在都有用以表 示它所接受的光量的二进制数据，可以显示强弱大小， 最终再整合影像输出。
CCD工作方式一
分解CCD 结构可以发现，为了帮助 CCD 能够组 合呈彩色影像，网格被发展成具有规则排列的色 彩矩阵，这些网格以红R、绿G和蓝B滤镜片所组 成（三原色CCD），亦有补色CCD （为CMYG .. Y黄色）。每一个CCD组件由上百万个 MOS电容 所构成（光点的多寡端看CCD 的画素而定）。当 数字相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些 马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电 子〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压， 这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅 层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接 收的光量成正比。在一个影像最明亮的部位，可 能有超过10万个电子被积存起来。
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彩色CCD混色（RGB色）原理
CCD的第二层是『分色滤色片』，这个部份的作用主要是帮助 CCD 具 备色彩辨识的能力。回到源头，CCD 本身仅是光与电感应器，透过分 色滤片，CCD 可以分开感应不同光线的『成分』，从而在最后影响处 理器还原回原始色彩。
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彩色CCD的分色图
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彩色CCD的分色原理
以 GRGB 原色色彩数组来说，R 色滤光片其实内部包含了『洋红』与『黄』两 种色调的滤片，透过补色机制（见下图），使其底部的感光区可以感受到『红』 色的光线（上图左）；相对地，补色 CCD（上图右），同学们可以发现，其中 只有一层染料色片，例如 ：Y 黄色，就阻挡了蓝光的进入，由红绿两光形成红 色色块，也因此补色CCD 可以吸收更多的光线，其感光能力也比原色 CCD 强 得多，但处理起来因为还是要还原成 RGB 系，对于影像处理引擎的负担较为沉 重。 未经许可，不得随意拷贝和转发
CCD类型
因应不同种类的工作需求，业界发展出四种 不同类型的 CCD ： Linear 线性、 Interline扫瞄、 全景 Full-Frame Frame-Transfer 全传
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CCD分辨率
指的就是ＣＣＤ中有多少像素，也 就是指这台数字相机的ＣＣＤ上有 多少感光组件。
彩色CCDห้องสมุดไป่ตู้原色原理
目前CCD有两种分色方式：一是 RGB 原色分色法， 另一个则是 CMYG补色分色法，这两种方法各有利 弊，过去原色和补色CCD的产量比例约在 2：1左 右，2003年后由于影像处理引擎的技术和效率进步， 目前超过 80％都是原色 CCD 的天下。
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CCD的ADC 转换电压至数字讯号示 意图
ADC 转换电压至数字讯号示意图 ： 此 ADC 为8位处理器 可以将电压讯号分成 256（0～255） 个位阶判读 ADC 位数的多寡将决定画质的精细程度，目前 SONY 量 产 14位之ADC，多数的数字相机都可达到 12位以上