CCD发展史
　　CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge "Bubble" Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。
　　到了70年代，贝尔实验室的研究员已[1]能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

　　　　　　　　　　　　CCD发明者——维拉·博伊尔和乔治·史密斯发明者荣誉

　　　2006年元月，波义耳和史密斯获颁电机电子工程师学会（IEEE）颁发的Charles Stark Draper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。
　　北京时间2009年10月6日，2009年诺贝尔物理学奖揭晓，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予一名中国香港科学家高锟(Charles K. Kao)和两名科学家维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）。科学家Charles K. Kao 因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就” 而获奖，科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器CCD” 获此殊荣。

　　CCD简介
　　CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。
　　CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Lucky imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。

　　　　　　　　　　　　　　　　　传真机所用的线性CCD
　　CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，民用产品。

　　CCD功能特性
　　CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸xx，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。CCD工作原理
　　CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像(线阵CCD见图1-3所示)。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。

ＣＣＤ的工作原理（１－３）

　　　　　　　　　　　　　　　一组用于紫外线影像处理用的CCD

　　CCD为什么能看到红外线?
　　其实在CCD中，本来就对红外光有感应,能看到红外线，例如：使用黑白摄像机,在关掉明亮电灯的情况下,开启红外灯,马上可以看到影像。这是由于黑白摄像机本来就没颜色，但在现实使用的彩色CCD多数看不到红外线。 其实,彩色CCD也能识别和感应到红外线,但会干扰到D.S.P (影像处理主芯片)的运算以导致”偏色”,因此,在彩色CCD中为了让其不“偏色”,在彩色CCD上头黏的那片滤光片，让它不能接收红外线。
　　从380nm-645nm 穿透率是约93% ,刚好就是可见光的范围(紫-靛-蓝-绿-黄-橙-红),就是彩虹的颜色嘛! 600多nm是红色光,在它往右以”外”,就叫”红外线”,是”红色以外的光” 不是红色的光,因为眼睛已经看不到了,再来,380nm左右我们眼睛看到的是紫色,在380nm往左以”外”,就叫”紫外线”.

　　CCD彩色数码相机
　　一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayer filter）加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。
　　用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。
　　截至2005年，超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些xx相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。
　　CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。
　　CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。
　　衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及ＣＣＤ尺寸是重要的指标。像素数是指ＣＣＤ上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果ＣＣＤ没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上ＣＣＤ的像素数量应该越多越好。但ＣＣＤ像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。
　　单ＣＣＤ摄像机是指摄像机里只有一片ＣＣＤ并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换，其中色度信号是用ＣＣＤ上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。由于一片ＣＣＤ同时完成亮度信号和色度信号的转换，因此难免两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平的要求。为了解决这个问题，便出现了３ＣＣＤ摄像机。３ＣＣＤ，顾名思义，就是一台摄像机使用了３片ＣＣＤ。我们知道，光线如果通过一种特殊的棱镜后，会被分为红，绿，蓝三种颜色，而这三种颜色就是我们电视使用的三基色，通过这三基色，就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。如果分别用一片ＣＣＤ接受每一种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成了一个３ＣＣＤ系统。
　　和单ＣＣＤ相比，由于３ＣＣＤ分别用３个ＣＣＤ转换红，绿，蓝信号，拍摄出来的图像从彩色还原上要比单ＣＣＤ来的自然，亮度以及清晰度也比单ＣＣＤ好。但由于使用了三片ＣＣＤ，３ＣＣＤ摄像机的价格要比单ＣＣＤ贵很多。
　　四色CCD是索尼公司在2003年推出的一种CCD新技术。四色即红 绿 蓝 品红（RGBE）相对与传统的三色（红 绿 蓝），四色CCD的色彩还原错误率进一步降低。因而使色彩还原更逼真。{sk}采用四色CCD的数码相机是SONY DSC—F828
　　一款面阵CCD数码相机规格表中的CCD一栏经常写着“1/2.7英寸CCD”等。这里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，实际上就是CCD对角线的长度。
　　现有的数码相机一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。CCD是受光元件(像素)的集合体，接收透过镜头的光并将其转换为电信号。在像素数一样的情况下，CCD尺寸越大单位像素就越大。这样，单位像素可以收集更多的光线，因此，理论上可以说有利于提高画质。
　　但是，数码相机画质的好坏不仅是由CCD决定的。镜头以及通过CCD输出的电信号形成图像的电路的性能等也能够影响到相机的画质。所谓的“大尺寸CCD＝高画质”是不正确的。例如，虽然1/2.7英寸比1/1.8英寸尺寸小，但配备1/2.7英寸CCD的数码相机并没有受到画质不好的批评。
　　现在，袖珍数码相机日趋小巧轻便，出于设计上的考虑，其中大多采用1/2.7英寸的小型CCD。
　　顺便说一句，1/2.7英寸的“型”有时也写作“inch”，不过，在这里不是普通的“1英寸＝25.4mm”。由于结合了CCD亮相前摄像机上使用的摄像管和显示方式，因此，习惯上采用比较特殊的尺寸。1/2.7英寸为6.6mm，1/1.8英寸约为9mm。

　　　CCD结构及工作原理来源于中国仪器超市（）的资料：
　　CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号寄存器、信号放大器、数摸转换器等项目，将分别叙述如下；
　　1. 感光二极管（Photodiode）
　　2. 并行信号寄存器（Shift Register）：用于暂时储存感光后产生的电荷。
　　3. 并行信号寄存器（Transfer Register）：用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大。
　　4. 信号放大器：用于放大微弱电信号。
　　5. 数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号。
　　CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层，将分别叙述如下；
　　1. 微型镜头
　　微型镜头为CCD的{dy}层，我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此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。
　　2. 分色滤色片
　　分色滤色片为CCD的第二层，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。
　　原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD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的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上
　　3. 感光层
　　感光层为CCD的第三层，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。
　　CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生产的芯片，现在韩国三星等也有能力生产，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，{zh0}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。
　　1、依成像色彩划分
　　彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。
　　黑白摄像机：适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用黑白摄像机。
　　2、依分辨率灵敏度等划分
　　影像像素在38万以下的为一般型，其中尤以25万像素（512*492）、分辨率为400线的产品最普遍。
　　影像像素在38万以上的高分辨率型。
　　3、按CCD靶面大小划分
　　CCD芯片已经开发出多种尺寸：
　　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。
　　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。
　　4、按扫描制式划分
　　PAL制、NTSC制。 中国采用隔行扫描（PAL）制式（黑白为CCIR），标准为625行，50场，只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。另外，日本为NTSC制式，525行，60场（黑白为EIA）。
　　5、依供电电源划分
　　110VAC（NTSC制式多属此类）；
　　220VAC
　　24VAC
　　12VDC
　　9VDC（微型摄像机多属此类）。
　　6、按同步方式划分
　　内同步：用摄像机内同步信号发生电路产生的同步信号来完成操作。
　　外同步：使用一个外同步信号发生器，将同步信号送入摄像机的外同步输入端。
　　功率同步（线性锁定，line lock）：用摄像机AC电源完成垂直推动同步。
　　外VD同步：将摄像机信号电缆上的VD同步脉冲输入完成外VD同步。
　　多台摄像机外同步：对多台摄像机固定外同步，使每一台摄像机可以在同样的条件下作业，因各摄像机同步，这样即使其中一台摄像机转换到其他景物，同步摄像机的画面亦不会失真。
　　7、按照度划分，CCD又分为：
　　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
CCD彩色摄像机的主要技术指标

　　　CCD尺寸，亦即摄像机靶面。原多为1/2英寸，现在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。
　　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像机。
　　水平分辨率。彩色摄像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。分辨率是用电视线（简称线TV LINES）来表示的，彩色摄像头的分辨率在330~500线之间。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。
　　最小照度，也称为灵敏度。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。月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件，2~3lux属一般照度，现在也有低于1lux的普通摄像机问世。
　　扫描制式。有PAL制和NTSC制之分。
　　摄像机电源。交流有220V、110V、24V，直流为12V 或9V。
　　信噪比。典型值为46db，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。
　　视频输出。多为1Vp-p、75Ω，均采用BNC接头。
　　镜头安装方式。有C和CS方式，二者间不同之处在于感光距离不同。
CCD彩色摄像机的可调整功能

　　　同步方式的选择
　　A、对单台摄像机而言，主要的同步方式有下列三种：
　　内同步——利用摄像机内部的晶体振荡电路产生同步信号来完成操作。
　　外同步——利用一个外同步信号发生器产生的同步信号送到摄像机的外同步输入端来实现同步。
　　电源同步——也称之为线性锁定或行锁定，是利用摄像机的交流电源来完成垂直推动同步，即摄像机和电源零线同步。
　　B、对于多摄像机系统，希望所有的视频输入信号是垂直同步的，这样在变换摄像机输出时，不会造成画面失真，但是由于多摄像机系统中的各台摄像机供电可能取自三相电源中的不同相位，甚至整个系统与交流电源不同步，此时可采取的措施有：
　　均采用同一个外同步信号发生器产生的同步信号送入各台摄像机的外同步输入端来调节同步。
　　调节各台摄像机的“相位调节”电位器，因摄像机在出厂时，其垂直同步是与交流电的上升沿正过零点同相的，故使用相位延迟电路可使每台摄像机有不同的相移，从而获得合适的垂直同步，相位调整范围0~360度。 

　　电子快门
　　在CCD摄像机内，是用光学电控影像表面的电荷积累时间来操纵快门。电子快门控制摄像机CCD的累积时间，当电子快门关闭时，对NTSC摄像机，其CCD累积时间为1/60秒；对于PAL摄像机，则为1/50秒。当摄像机的电子快门打开时，对于NTSC摄像机，其电子快门以261步覆盖从1/60秒到1/10000秒的范围；对于PAL型摄像机，其电子快门则以311步覆盖从1/50秒到1/10000秒的范围。当电子快门速度增加时，在每个视频场允许的时间内，聚焦在CCD上的光减少，结果将降低摄像机的灵敏度，然而，较高的快门速度对于观察运动图像会产生一个“停顿动作”效应，这将大大地增加摄像机的动态分辨率。
　　白平衡
　　白平衡只用于彩色摄像机，其用途是实现摄像机图像能xx反映景物状况，有手动白平衡和自动白平衡两种方式。
　　A、自动白平衡
　　连续方式——此时白平衡设置将随着景物色彩温度的改变而连续地调整，范围为2800~6000K。这种方式对于景物的色彩温度在拍摄期间不断改变的场合是最适宜的，使色彩表现自然，但对于景物中很少甚至没有白色时，连续的白平衡不能产生{zj0}的彩色效果。 
　　B、手动白平衡
　　开手动白平衡将关闭自动白平衡，此时改变图像的红色或蓝色状况有多达107个等级供调节，如增加或减少红色各一个等级、增加或减少蓝色各一个等级。除次之外，有的摄像机还有将白平衡固定在3200K（白炽灯水平）和5500K（日光水平）等档次命令。

　　相互竞争的科技

　　近年来，利用互补金氧半导体（CMOS）的制程，已能制造实用的主动像素传感器（Active Pixel Sensor）。CMOS是所有硅芯片制作的主流技术，CMOS感光元件不但造价低廉，也能将讯号处理电路整合在同一部装置上。后一特性有助于滤除背景噪声，因为CMOS比CCD更容易受噪声干扰。这部份的困扰现时已渐渐解决，这要归功于使用个别像素的低阶放大器取代用于整片CCD阵列的单一高阶放大器。CMOS感光元件还有一个优点，它的耗电量低于CCD。