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2.3.3 CCD 的基本工作原理
CCD(Charge Coupled Device)即电荷耦合器件，是一种新型的固体成像器件，是近代光学成像领域中非常重要的一种高新技术产品。原来CCD是指具有电荷转移功能的元件，现在习惯将CCD作为图像传感器的代名词。而作为一种新型图像传感器，CCD 器具有众多优点，如灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作简便、易于文护、成本低等。CCD 的像元尺寸较小、几何精度很高，给它配置适当的光学系统，便能够获得很高的空间分辨率，特别适用于各种精密图像传感以及无接触工件尺寸的在线检测。由于CCD 是以时间积分方式工作，光积分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应性强。CCD 的输出信号易于数字化处理，易于与计算机连接组成实时自动测量控制系统，可以广泛用于光谱测量及光谱分析，文字与图象识别，光电图象处理，传真、复印、条形码识别及空间遥感等众多领域[20]。电荷耦合摄像器件(CCD)最突出的特点是它以电荷为信号载体。其功能主要是接收和存储模拟电荷信号，并将它逐级转移输送到输出端。构成 CCD 的基本单元是光敏像元，一个 CCD 包含很多个光敏像元，而每一个光敏像元就是一个 MOS（金属－氧化物－半导体）结构，即为感光元件，在受到光线照射后能够产生输出电流。CCD 的基本功能是电荷的存储和转移。将 CCD 图像传感器的基本原理动作分解，可以分为四个基本动作：一是光电转换，即将光转换成信号电荷；二是电荷的存储，即存储信号电荷；三是电荷的转移，即转移信号电荷，这是 CCD 的主要功能；四是电荷的检测，即将信号电荷转换成电信号。在 CCD 进行工作时，需要在其金属栅极上加一定的偏压，目的是形成势阱用来容纳电荷，且光强越大产生的电荷也越多。在具有一定相位关系的移位脉冲的作用下，电荷会从一个位置移动到下一个位置，直到移出 CCD，这个过程称为电荷的读出过程。移出 CCD 的电荷变换成相应的电压，并转换成为时间和幅值都连续的模拟电信号。由于每个像元势阱容纳电荷的能力有限，若光照太强，就会产生较多的电荷，从而可能填满势阱，而一旦势阱被电荷填满，将会产生电子“溢出”现象。另外，由于电荷的读出是从一个位置到下一个位置电荷的转移过程，所以会存在电荷的转移效率以及转移损失问题。在整个过程中，感光元件生成的电信号非常微弱，因而无法直接对其进行模数转换工作，所以必须对输出的模拟信号数据做统一的放大处理。而完成此项任务的是 CCD 传感器中的放大器，且经过放大器的专门处理之后，每个像点电信号的强度都能够获得同样幅度的增大。而要将模拟信号转变成数字信号，还需要一个专门的模数转换芯片对其进行处理，因为 CCD 本身不具备将模拟信号直接转换为数字信号的功能。最终转换后的电信号以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的数字图像处理芯片进行处理。
2.3.4 CCD 彩色摄像机的主要技术指标
依据成像色彩的不同,可以将 CCD 摄像机划分为黑白和彩色两种类型。黑白摄像机一般适用于光线不足及夜间无法安装照明设备的地区。彩色摄像机一般用来辨别景物的细部，例如物体的颜色。颜色的存在使得其信息量增大，一般认为是黑白摄像机信息量的 10 倍。CCD 彩色摄像机的技术指标主要包括以下几点：①CCD 的像素。像素是 CCD 最主要的性能指标，由于像素越多，图像越清晰，所以它决定了显示图像的清晰程度。现在市场上的 CCD 摄像机大多以 25 万和 38 万像素为界限，38 万像素以上则为高清晰度摄像机。②CCD 的尺寸，即摄像机的靶面大小。过去多为 1/2 英寸大小，现在已普及化了1/3 英寸的，而 1/4 英寸和 1/5 英寸也达到商品化的程度。③灵敏度，也称为最小照度。即CCD在正常成像时所需要的最暗光线，它反映了CCD对环境光线的敏感程度，其单位是勒克斯(LUX)，摄像机越灵敏，则需要的光线越少，勒克斯的数值越小。高增感度摄像机如月光级和星光级则可以在很暗的条件下工作，而一般的照度的勒克斯在 2~3 之间。④水平分辨率。320 到 500电视线之间是彩色摄像机的典型分辨率，主要有 330 线、380 线、420 线、460 线、500 线等不同档次。不仅CCD镜头关系着其摄像机的分辨率，且摄像头电路通道的频带宽度也直接关联着分辨率，通常情况下，1MHz的频带宽度相当于 80 线的清晰度。且频带越宽，图像越清晰。⑤扫描制式。有 PAL 制和 NTSC 制之分。⑥信噪比。典型值为 46db，若为 50db，则说明图像有少量噪声，但质量仍然良好。⑦摄像机电源。交流有 24V、110V、220V，直流有 12V 或 9V。⑧镜头安装方式。有 C 和 CS 两种方式，不同之处在于二者感光距离的不同。