CCD 常用知识总结
随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声已经成为阻碍CCD进一步发展的障碍。噪声是CCD的一个重要参数，它是决定信噪比S/N（Singal/Noise）的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。随着CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增加势必减小光敏元的面积，从而降低了CCD的输出饱和信号。为扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声（动态范围与噪声间的联系）。
CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。噪声叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并且限制了信号电荷包的最小值。CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD动态范围内，图像信号随目标亮度线形变化是尽可能消除这些噪声和干扰。（选自《CCD降噪技术的研究》燕山大学工学硕士学位论文）
CCD的发展现状
CCD最初是1969年由美国贝尔实验室的两名科学家W.S.Boyle与G.E.Smith提出，1970年在贝尔实验室制造成功。它一问世，就显示出灵敏度高、光谱响应范围大、操作容易、维护方便、成本低、易推广等一系列优点，因而受到人们的普遍重视，现已取代摄像管，成为一种最常见的图像传感器。自CCD问世以来，特别是近几年来，一直为美、日、英、法、德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其中美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。国外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国德州仪器，荷兰飞利浦等。二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高分辨率、宽光谱响应的方向迅速发展，不断完善。目前国外已研制出了像素数目为9K×9K的CCD芯片，像素尺寸最小已达到2.4μm×2.4μm;像素数目为4K×4K的CCD芯片已达到商业化水平。另外CCD芯片的拼接技术也日益成熟。国内对CCD的研究始于1967年，主要研制单位重庆光电技术研究所、河北半导体研究所等，已经取得了一定的成绩，但研制水平和国外有一段距离，比发达国家落后近十年。尤其受国内微电子加工技术的限制，生产能力较低，其产量远不能满足国内需求。（《CCD尺寸测量装置的研制》东北大学硕士论文）
一、摄像头结构和工作原理.
拍摄景物通过镜头，将生成的光学图像投射到传感器上，然后光学图像被转换成电信号，电信号再经过模数转换变为数字信号，数字信号经过DSP加工处理，再被送到电脑中进行处
理，最终转换成手机屏幕上能够看到的图像。
数字信号处理芯片DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)功能：主要是通过一系列复杂
的数学算法运算，对数字图像信号参数进行优化处理，并把处理后的信号通过USB等接口
传到PC等设备。DSP结构框架:
1. ISP(image signal processor)(镜像信号处理器)
2. JPEG encoder(JPEG图像解码器)
3. USB device controller(USB设备控制器)
常见的摄像头传感器类型主要有两种，一种是CCD传感器（Chagre Couled Device），即电荷耦合器。
一种是CMOS传感器（Complementary MetalOxide Semiconductor）即互补性金属
氧化物半导体。CCD的优势在于成像质量好，但是制造工艺复杂，成本高昂，且耗电高。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但图像质量相比CCD来说要低一些。CMOS影像传感器相对CCD具有耗电低的优势，加上随着工艺技术的进步，CMOS的画质水平也不断地在提高，所以目前市面上的手机摄像头都采用CMOS传感器。
手机摄像头的简单结构滤光片有两大功用: 1.滤除红外线。滤除对可见光有干扰的红外光，使成像效果更清晰。 2.修整进来的光线。感光芯片由感光体(CELL)构成,最好的光线是直射进来,但为了怕干扰到邻近感光体,就需要对光线加以修整,因此那片滤光片不是玻璃,而是石英片,利用石英的物理偏光特性,把进来的光线,保留直射部份,反射掉斜射部份,避免去影响旁边的感光点. 二、相关参数和名词1、常见图像格式 1.1 RGB格式： 传统的红绿蓝格式，比如RGB565，RGB888，其16bit数据格式为5bit R + 6bit G + 5bit B。G多一位，原因是人眼对绿色比较敏感。 1.2 YUV格式： luma (Y) + chroma (UV) 格式。YUV是指亮度参量和色度参量分开表示的像素格式，而这样分开的好处就是不但可以避免相互干扰，还可以降低色度的采样率而不会对图像质量影响太大。YUV是一个比较笼统地说法，针对它的具体排列方式，可以分为很多种具体的格式。色度(UV)定义了颜色的两个方面─色调与饱和度，分别用CB和CR表示。其中，Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。主要的采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。 1.3 RAW data格式： RAW图像就是CMOS或者CCD图像感应器将捕捉到的光源信号转化为数字信号的原始数据。RAW文件是一种记录了数码相机传感器的原始信息，同时记录了由相机拍摄所产生的一些元数据（Metadata，如ISO的设置、快门速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是未经处理、也未经压缩的格式，可以把RAW概念化为“原始图像编码数据”或更形象的称
光学基础学习报告
一、教学内容：
光电镜头是用来作为光电接收器（CCD,CMOS）的光学传感器元件。
光学特性参数：
1、 焦距EFL（学名f’）
是指主面到相应焦点的距离（如图1.1）
QQ'FF'图1.1f'
每个镜片都有前后两个主面－前主面和后主面（放大率为1的共轭面）。相应的也有两个焦点－前焦和后焦。
凸透镜：双凸；平凸；正弯月（如图1.1）
图1.2
凹透镜：双凹；平凹；负弯月
QQ'QQ'QQ'双凹
两主面Q,Q’在镜片内 平凹
两主面Q,Q’一在镜片内
一与凹面切 负弯月
两主面Q,Q’在镜片外 QQ'QQ'QQ'双凸
两主面Q,Q’在镜片内 平凸
两主面Q,Q’一在镜片内
一与凸面切 正弯月
两主面Q,Q’在镜片外
图1.3
折射率实际反映的是光在物质中传播速度与真空中速度的比值关系。
薄透镜：)]1()1[()1('121RRnf
—透镜光焦距；
f’—焦距；
n—折射率；
R1,R2－两球面曲率半径
厚透镜：21221)1()]1()1[()1('1RnRdnRRnf
d－中心厚度
干涉仪与光距座可以量测f’,R1,R2,d→利用上述的公式可以计算出n值，从而来确定所用材料。
A、 EFL增加，TOTR（光学总长）增加；要降低TOTR就必须降低EFL，但EFL降低，像高就要降低
B、 EFL与某些象差相关
C、 EFL上升将使F/NO增大
D、 EFL，FOV（视场角）和IMA（像高）三者间有关系
tanFOVEFLIMA－铁三角关系
EFL的增大（减小）会使像高变大（小），为了保持像高，就必须要增大（减小）FOV，然而FOV的增大会使得REL（相对照度）的数值增大。
2、 BFL后焦距（学名后截距）
BFLF
图2.1
3、 F数（F/NO）
DfNOF'/
f’－FEL
D入－入瞳直径
入瞳为光阑经其前方光学镜片所成的像，反映进入光学系统的光线
数码相机原理和基础知识
数码相机是利用电子技术和计算机技术，将光信号转换为数字信号，并通过处理和存储，实现图像采集、存储和显示的设备。相对于传统胶片相机，数码相机具有便携、实时预览、可重复使用等优点，成为广大消费者记录生活的重要工具。下面将介绍数码相机的原理和基础知识。
1.光学成像原理
数码相机的核心部件是镜头，它起到了对光场进行成像的作用。光通过镜头进入相机，通过透镜系统聚焦在图像传感器上，形成具有一定分辨率的图像。透过不同曝光时间、焦距、光圈等参数的调节，可以实现不同的拍摄效果。
2.图像传感器
图像传感器是数码相机中最为重要的部件之一，有两种常见的类型：CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）。两者的工作原理有所不同，但其本质是将光信号转换为电信号。传感器上的光敏元件会将光信号转换成电荷，并通过特定的电路转换为电信号。CMOS传感器由于制造工艺简单、成本低廉、功耗低、集成度高等优点逐渐得到广泛应用。
3.影像处理
数码相机的影像处理是指将图像传感器采集到的原始模拟信号，经过A/D（模拟-数字）转换后，利用内置的ASIC（专用集成电路）进行数字图像处理。该处理包括色彩校正、白平衡处理、锐化、降噪等操作，以提高图像的质量。
4.存储介质 数码相机通常使用存储卡作为图像的存储介质，常见的有SD卡、CF卡等。存储容量与拍摄质量相关，高像素和高质量的图像占用的空间更大。同时，数码相机还可以通过USB接口与计算机相连，将图像传输到电脑上进行后续处理或者存储。
5.拍摄模式
数码相机常见的拍摄模式包括自动模式、全手动模式、光圈优先模式、快门优先模式等。自动模式下，相机会根据环境光线、焦距、取景内容等自动调整参数，适应拍摄环境。而全手动模式下用户可以完全控制各项参数，进行个性化拍摄。
6.光圈和快门速度
光圈和快门速度是数码相机中两个重要的参数。光圈决定了进光量的多少，调节光圈大小可以控制景深的深浅和背景虚化的效果。快门速度确定了曝光时间的长短，较快的快门速度可以冻结移动物体，而较慢的快门速度可以捕捉到移动物体的轨迹。
