初学者园地之摄像机（一）

    第一节 摄像机

    摄像机的发展速度很快，从摄像管到CCD元件，以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击等特点，同时清晰度、照度、可K性等指标大大提高而被广泛应用。CCD是Charge CoupLED Device（电荷耦合器件）的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。

    被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。

    一、CCD摄像机的分类

    ㈠按照成像色彩划分

    CCD摄像机按成像色彩划分为彩色摄像机和黑白摄像机两种。除色度处理方面不同外，其它原理基本一致。主要有光学系统、光电转换系统、信号处理系统组成。其中光电转换系统是摄像机的核心。

    自然图像通过光学镜头成像于摄像机的光靶面上，彩色摄像机的光学系统中使用相干分色棱镜或特殊条状滤色镜将光信号分成红、绿、蓝三色光信号，光电转换系统通过摄像管或CCD元件利用电视扫描方法把光图像信号转换成随时间变化的视频电信号，再经放大、处理、编码而成为全电视信号。

    ㈡按照分辨率划分

    按照分辨率划分为25万像素左右，对应彩色330线/黑白400线的低档型；25万至38万像素之间，对应彩色420线/黑白500线的中档型；38万像素以上，对应彩色大于或等于460线黑白570线以上的高档型。

    ㈢按照摄像机灵敏度划分

    按照灵敏度可分为最低照度1至3lux的普通型；0.1lux左右的月光型；0.01lux以下的星光型以及原则上可以为0Lux，采用红外光源成像的红外照明型。

    ㈣按照CCD靶面尺寸划分

    摄像机摄像器件（CCD）的尺寸分为1英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。其中以1/3英寸和1/2英寸最为常见。
    CCD尺寸 水平（mm） 垂直（mm） 对角线（mm）
    1英寸 12.7 9.6 16
    2/3英寸 8.8 6.6 11
    1/2英寸 6.4 4.8 8
    1/3英寸 4.8 3.6 6
    1/4英寸 3.6 2.4 4
    1/5英寸的CCD摄像机正待开发之中，将来也会在市场上占有一定比例。

    一般来说，大的CCD芯片，其相应的象素面积也较大，接收所摄光的面积增大，必然使象素输出电荷增多，灵敏度上升，在弱光条件下具有较好的拍摄能力，容易使摄像机整体质量提高，图像细部明显细腻自然。而光学系统聚焦影像时的焦平面越小，则成像过程中丢失的细节就越多，得到的影像放大后细部过渡就可能有突变的现象，显得不自然。另外小尺寸CCD拥有更多的象素和更高的分辨率也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。单个像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄。每个象素上的信息趋于与在它附近的象素的信息混合（在电子学上这个概念叫做色度亮度干扰）。

    二、CCD传感器的技术发展趋势

    CCD是摄像机的核心器件，因此其性能高低将直接影响摄像机的品质，并且CCD的发展是摄像机更新换代的基础。

    CCD传感器有两种，第一种是特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→8-14um远红外光）焦平面阵列传感器等。目前已有商业化产品，并广泛应用于各个领域。第二种是通用型或消费型CCD传感器，在许多方面都有较大地进展，总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。

    ㈠CCD传感器的像面尺寸向集成化、轻量化方向的发展。

    由于制造CCD传感器的硅片和加工成本都很高，所以很希望一片6.5英寸的硅片上光刻出更多的CCD传感器芯片；由于光刻机的进步，所以在仍保持具有很高灵敏度的特性下，CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展。在1993年，1/2英寸的CCD传感器占总产量的5%;1/4英寸的CCD传感器占总产量的10%；1/3英寸的CCD传感器占总产量的85%。在1997年，在总产量比1993年增加200%以上的情况下，1/2英寸的CCD传感器仍有很大发展，已占总产量的15%（1/2英寸由于靶面较大仍有许多场合需要，尤其在科研领域中）；1/4英寸的CCD传感占总产量的60%。也就是说，1/2英寸较大靶面尺寸CCD传感器仍有很大增长。1/4英寸的CCD传感器的产量比1/3英寸的CCD传感器来说，占总产量的比例在减少。

    ㈡CCD传感器向高素数、多制式发展

    各种CCD传感器的像面尺寸在减少，但其像素数在增加，已由早期的512（H）×596（V）向795（H）×596（V）发展，甚至出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水平方向和垂直方向的分辨能力，已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。

    ㈢降低CCD传感器的工作电压、减少功耗

    在初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、+17V和+5V等，目前通用的为+12V。为配合PC摄像机和网络图像传输的应用，逐步以+12V和+5V两种工作电压为主。

    ㈣提高CCD摄像机的制造效率

    为了降低CCD摄像机的制造成本，实现高速自动化生产，制造厂家追求紧密性结构，致力于CCD摄像机的小型化，即由Dip On Board（DOB）过锡板工艺改进为Chip On Board（COB）板上连接IC芯片的贴片方式。到目前为止，已实现多层板的Multi Chip Module（MCM）多芯片集成模组化制造技术。

    ㈤CCD摄像机的数字化

    在制造CCD摄像机时，从以往的Analog模拟系统逐步实现DSP数字化处理，可以借助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄像机，特别是对彩色CCD摄像机的各种参数的量化调整，可以确保CCD摄像机性能指标的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数量化修改。