CCD摄像机基础知识

前言什么是CCD在闭路监控系统中，摄像机又称摄像头或ccd（charge coupled device）即电荷耦合元器件。

严格来说，摄像机是摄像头和镜头的总称，而实际上，摄像头与镜头大部分是分开购买的，用户根据目标物体的大小和摄像头与物体的距离，通过计算得到镜头的焦距，所以每个用户需要的镜头都是依据实际情况而定的，不要以为摄像机（头）上已经有镜头。

摄像头的主要传感部件是ccd，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点，ccd能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄象元件。

是代替摄像管传感器的新型器件。

摄物体的图像经过镜头聚焦至ccd芯片上，ccd根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。

视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

这个标准的视频信号同家用的录像机、vcd机、家用摄像机的视频输出是一样的，所以也可以录像或接到电视机上观看。

________________________________________? 2...第一章摄像机发展史第一节ccd发展简史ccd产品问世已有30多年，从当时的20万像素发展到目前的500―800万像素，无论其市场规模还是其应用面，都得到了巨大的发展，可以说是在平稳中逐步提高，特别是近几年来，在消费领域中的应用发展速度更快。

由于ccd的技术生产工艺复杂，目前业界只有索尼、飞利浦、柯达、松下、富士和夏普６家厂商可以批量生产，而其中最主要的供商应是索尼，飞利浦和柯达，其中，在各厂商市占率方面，索尼以50％的市占率，成为市场领导厂商。

索尼从70年代研发ccd以来，即将其广泛运用在摄录放影机及广播电视等专业用摄影机等器材上，目前索尼的研发水平仍是领先于其它公司之上目前的ccd组件，每一个像素的面积和开发初期比较起来，己缩小到1/10以下。

今后在应用产品趋向小型化，高像素的要求下，单位面积将会更加的缩小。

在小型化的同时，利用各种新开发的技术，使其感光度不会因为单位面积缩小而受到影响，也同时要求其性能维持或向上提升。

以下是索尼公司按年代划分而发展的ccd传感器简介：1、had感测器had（hole-accumulation diode）传感器是在n型基板，p型，n+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是sony独特的构造。

由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。

另外，在n型基板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句换说，也提高了感度。

在80年代初期，索尼将其领先使用在可变速电子快门产品中，在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图象。

2、on-chip micro lens80年代后期，因为ccd中每一像素的缩小，将使得受光面积减少，感度也将变低。

为改善这个问题，索尼在每一感光二极管前装上微小镜片，使用微小镜片后，感光面积不再因为感测器的开口面积而决定，而是以微小镜片的表面积来决定。

所以在规格上提高了开口率，也使感亮度因此大幅提升。

3、super had ccd进入９０年代后期以来，ccd的单位面积也越来越小，1989年开发的微小镜片技术，已经无法再提升感亮度，如果将ccd组件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯也被提高，画质会受到明显的影响。

索尼在ccd技术的研发上又更进一步，将以前使用微小镜片的技术改良，提升光利用率，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼super had ccd技术。

基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计，这也为目前的ccd基本技术奠定了基础。

4、new structure ccd在摄影机的光学镜头的光圈f值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多，使得入射到ccd组件的光无法百分之百的被聚焦到感测器上，而ccd感测器的感度将会降低。

１９９８年索尼公司为改善这个问题，将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。

加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。

而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化，让会造成垂直ccd画面杂讯的讯号不会进入，使smear特性改善。

5、exview had ccd比可视光波长更长的红外线光，也可以在半导体硅芯片内做光电变换。

可是至当前为止，ccd 无法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到感测器内。

为此，索尼在1998年新开发的“exview had ccd”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光，有效转换成为映像资料而用。

使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。

利用“exview had ccd”组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。

而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直ccd部分的smear成分，也可被收集到传感器内，所以影响画质的杂讯也会大幅降低。

________________________________________? 3...第一节ccd芯片的选择ccd芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。

目前市场上大部分摄像头采用的是日本sony、sharp、松下、lg等公司生产的芯片，现在韩国也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。

因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同等原因，造成ccd采集效果也大不相同。

在购买时，可以采取如下方法检测：接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花大不大，这些是检测ccd芯片最简单直接的方法，而且不需要其它专用仪器。

然后可以打开光圈，看一个静物，如果是彩色摄像头，最好摄取一个色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。

好的ccd可以很好的还原景物的色彩，使物体看起来清晰自然；而残次品的图像就会有偏色现象，即使面对一张白纸，图像也会显示蓝色或红色。

个别ccd由于生产车间的灰尘，ccd靶面上会有杂质，在一般情况下，杂质不会影响图像，但在弱光或显微摄像时，细小的灰尘也会造成不良的后果，如果用于此类工作，一定要仔细挑选。

第二章摄像机的主要技术参数一、ccd尺寸即摄象机靶面。

目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”。

在购买摄像头时，特别是对摄像角度有比较严格要求的时候，ccd靶面的大小，ccd与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。

在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。

1英寸――靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。

2/3英寸――靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。

1/2英寸――靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。

1/3英寸――靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。

1/4英寸――靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。

二、ccd像素是ccd的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。

ccd是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。

现在市场上大多以25万和38万像素为划界，38万像素以上者为高清晰度摄象机。

目前SONY及SHARP 均为高清晰度摄像机。

三、水平分辨率分辨率是用电视线（简称线tv lines）来表示的。

彩色摄象机的典型分辨率是在320到500电视线之间，主要有330线、380线、420线、460线、500线等不同档次。

分辨率与ccd和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是1mhz的频带宽度相当于清晰度为80线。

频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。

四、最小照度照度又称灵敏度。

是ccd对环境光线的敏感程度，或者说是ccd正常成像时所需要的最暗光线。

照度的单位是勒克斯（Lux），数值越小，表示需要的光线越少，摄像头也越灵敏。

照度是反映光照强度的一种单位，单位是每平方米的流明数，1Lux大约等于1烛光在1米距离的照度1Lux=1lm/m*m（lm是光通量的单位）黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯)，彩色摄像机多在1Lux以上。

摄像的灵敏度与镜头f值有关，0.97Lux/f0.75相当于2.5Lux/f1.2相当于3.4Lux/f1.0普通型：正常工作所需照度1~3Lux月光型：正常工作所需照度0.1Lux左右星光型：正常工作所需照度0.01Lux以下红外型：采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像照度值不仅与镜头的光圈大小（f值）有关，与测试时的周边环境也有着较大的关系，以光圈大小（f值）而言，光圈愈大则其所代表的f值愈小，所需的照度愈低。

五、扫描制式根据各国供电所采用的频率不同，有pal制和ntsc制之分。

50hz：pal制，隔行扫描（pal）制式（黑白为ccir），标准为625行，50场。

60hz：ntsc制式，525行，60场（黑白为eia）。

六、摄象机电源交流有220v、110v、24v(AC)，直流为12v 或9v(DC)。

七、信噪比当摄像机摄取较亮场景时，监视器显示的画面通常比较明快，观察者不易看出画面中的干扰噪点；而取较暗场景时，监视器显示的画面就比较昏暗，观察者很容易看到画面中雪花状的干扰噪点。

干扰噪点的强弱与摄像机的信噪比指标有直接关系，即信噪比越高，干扰噪点对画面的影响就越小。

信噪比是信号电压对于噪声电压的比值，通常用符号s/n来表示。

由于在一般情况下，信号电压远高于噪声电压，比值非常大，信噪比的单位用db来表示。

一般摄像机给出的信噪比值均是在agc（自动增益控制）关闭时的值，因为当agc接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。

信噪比的典型值为45~55db，若为50db，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60db，则图像质量优良，不出现噪声。

八、镜头安装方式有c和cs方式，两者的螺纹均为1英寸32牙，直径为1英寸，差别是镜头距ccd靶面的距离不同。

c式安装座从基准面到焦点的距离为17.562毫米，比cs式距离ccd靶面多一个专用接圈的长度，cs式距焦点距离为12.5毫米。

在安装镜头前，先看一看摄像头和镜头是不是同一种接口方式，如果不是，就需要根据具体情况增减接圈。

有的摄像头不用接圈，而采用后像调节环（如松下产品），调节时，用螺丝刀拧松调节环上的螺丝，转动调节环，此时ccd靶面会相对安装基座向后（前）运动，也起到接圈的作用。

另外（如sony，jvc）采用的方式类似后像调节环，它的固定螺丝一般在摄像机的侧面。

拧松后，调节顶端的一个齿轮，也可以使图象清晰而不用加减接圈。

? 4...第一章各种摄像机的概念及分析一、彩色ccd摄像机二、黑白ccd摄像机三、一体化摄像机四、日夜两用型ccd摄像机五、超低照度摄像机六、高速球型摄像机七、dsp摄像机在模拟制式的基础上引入部分数字化处理技术，称为数字信号处理（dsp，digital signal processor）摄象机。