什么是CCD？
CCD是一種固體圖像傳感器，它是電荷耦合器件（Charge coupled device）的英文簡稱，是1970年美國貝爾實驗室的W·B·博伊爾（W·B·Boyle）和G·E·史密斯（G·E·Smith）等人研制出來的。
CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本結(jié)構(gòu)是MOS（金屬—氧化物—半導體）電容結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。它是在半導體P型硅（si）作襯底的表面上用氧化的方法生成一層厚度約100nm~150nm的Sio2，再在Sio2表面蒸鍍一層金屬（如鋁），在襯底和金屬電極間加上一個偏置電壓（稱柵電壓），就構(gòu)成了一個MOS電容器。所以，CCD是由一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器陣列構(gòu)成的。
圖1 CCD的基本結(jié)構(gòu)
目前的CCD器件均采用光敏二極管代替過去的MOS電容器，它是在P 型Si襯底上擴散一個N+區(qū)域以形成P-N結(jié)二極管。將光電二極管反向偏置，就可在光電二極管中產(chǎn)生一個定向電荷區(qū)（稱之為耗盡區(qū)）。在定向電荷區(qū)中，光生電子空穴分離，光生電子被收集在空間電荷區(qū)中?？臻g電荷區(qū)對帶負電的電子而言、是一個勢能特別低的區(qū)域，因此通常又稱之為勢阱。投射光產(chǎn)生的光生電荷就儲存在這個勢阱之中，勢阱能夠儲存的最大電荷量又稱之為勢阱容量，勢阱容量與所加柵壓近似成正比。
光敏二極管和MOS電容器相比，光敏二極管具有靈敏度高，光譜響應寬，藍光響應好，暗電流小等特點。如果將一系列的MOS電容器或光敏二極管排列起來，并以兩相、三相或四相工作方式把相應的電極并聯(lián)在一起，并在每組電極上加上一定時序的驅(qū)動脈沖，這樣就具備了CCD圖像傳感器的基本功能。
CCD攝像機的組成
黑白CCD攝像機的組成及原理如圖2所示。
由圖看出， CCD黑白攝像機一般由CCD圖像傳感器、掃描驅(qū)動及同步信號產(chǎn)生部分、視頻圖像處理及放大部分、攝像鏡頭、電源等5大部分組成。
而CCD彩色攝像機的組成，是在上述5大部分的基礎(chǔ)上增加彩色濾波器陣列、紅外截止濾光片與彩色信號的處理電路等。至于網(wǎng)絡(luò)攝像機的組成，除前面所說的攝像機的基本部分外，至少要增加能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ?，即要增加視頻壓縮處理與視頻服務(wù)器等。至于有人在文章或網(wǎng)上登載的“網(wǎng)絡(luò)攝像機由感光攝像鏡頭、傳感器、系統(tǒng)指示燈、網(wǎng)絡(luò)指示燈、網(wǎng)線插口、電源接口以及報警觸發(fā)等核心裝置組成?！本筒钗凑f螺絲釘，真正的組成一部分都沒有說對。
CCD攝像機的正確使用與鏡頭等的安裝調(diào)整
安裝鏡頭
眾所周知，攝像機必須配接鏡頭才可使用，但鏡頭合適與否，應根據(jù)應用現(xiàn)場的實際情況來選配。如有定焦鏡頭或變焦鏡頭、手動光圈鏡頭或自動光圈鏡頭、標準鏡頭或廣角鏡頭、長焦鏡頭以及一些特殊鏡頭等。此外，還應注意鏡頭與攝像機的尺寸搭配，以及它們之間的接口是C型還是CS型，要不要加5mm的接圈等。 [nextpage]
實際安裝鏡頭時，首先要去掉攝像機及鏡頭的保護蓋，然后將鏡頭輕輕旋入攝像機的鏡頭接口并使之到位。如是自動光圈鏡頭，還應將鏡頭的控制線連到攝像機的AI插口。
連接電源線與信號線
鏡頭安裝好后，就可連接電源線及視頻信號線。對12V供電的攝像機來說，應通過220VAC轉(zhuǎn)12VDC的電源適配器，將12V輸出插頭插入攝像機的電源插座。攝像機的電源插座大多是內(nèi)嵌式的針型插座，將12V小電源輸出小套筒插頭插入即可。但有的攝像機是兩個接線端子，這就需要旋動接線端子上的螺釘，將12V小電源輸出線剪開插入并擰緊螺釘就行。需指出的是，必須注意電源線的極性，以防燒壞攝像機。
攝像機輸出的視頻信號均由其后面板上的BNC插座引出，用具有BNC插頭的75Ω的同軸電纜，一端接入攝像機的視頻輸出（Video Out）插座，另一端接到監(jiān)視器的視頻輸入（Video in）插座上。最后，接通電源并打開監(jiān)視器，即可看到攝像機攝取的圖像。
有的攝像機有內(nèi)置拾音器，其后面板上有輸出聲音的RCA插座，用具有RCA插頭的屏蔽電纜，一端接入攝像機的RCA插座，另一端接到監(jiān)視器的音頻輸入（Audio in）插座上，就可聽到所監(jiān)控的現(xiàn)場的聲音。
鏡頭光圈與對焦的調(diào)整
在安裝好鏡頭、連接好電源與信號線后，往往得不到理想而清晰的圖像，這就需要調(diào)整鏡頭的光圈與對焦。為此，首先關(guān)閉攝像機上電子快門及逆光補償?shù)乳_關(guān)，將攝像機對準欲監(jiān)視的場景，再調(diào)整鏡頭的光圈與對焦環(huán)，使監(jiān)視器上的圖像最佳。如果是在光照度變化比較大的場合使用攝像機，最好配接自動光圈鏡頭并使攝像機的電子快門開關(guān)置于OFF。如果選用了手動光圈則應將攝像機的電子快門開關(guān)置于ON，并在應用現(xiàn)場最為明亮（環(huán)境光照度最大）時，將鏡頭光圈盡可能開大并仍使圖像為最佳（不能使圖像過于發(fā)白而過載），這時鏡頭才算調(diào)整完畢。這樣，當現(xiàn)場照度降低時，電子快門將自動調(diào)整為慢速，再配合較大的光圈，仍可使圖像達到滿意的程度。
值得說明的是，在調(diào)整過程中，若不注意在光線明亮時將鏡頭的光圈盡可能開大，而是關(guān)得比較小，則攝像機的電子快門會自動調(diào)在低速，雖然仍可在監(jiān)視器上形成較好的圖像，但光線再變暗時，因鏡頭的光圈比較小，而電子快門已經(jīng)處于最慢（1/50s），此時的成像就可能是昏暗一片。
在鏡頭的光圈與對焦調(diào)整好后，最后裝好防護罩并上好支架即可。
需要指出的是，如果是電動變焦鏡頭(二可變或三可變)，其鏡頭前部取景鏡面與防護罩取景玻璃面之間，必須要充分預留下聚焦動作所需的工作間隔空間(即距離)。否則，鏡頭在聚焦動作時將會推伸出一部分長度與防護罩的窗口玻璃發(fā)生碰撞并頂住，從而可能造成聚焦電機的損壞。但預留的聚焦工作距離不能過長，過長會妨礙鏡頭的光通量特性而影響成像效果。最好的辦法是，手動旋轉(zhuǎn)鏡頭聚焦取景部位，分別在左右兩個方向上輕輕地旋轉(zhuǎn)至底到不可調(diào)為止，這時即可精確地找出應預留的工作距離。 [nextpage]
鏡頭后焦距的調(diào)整
所謂后焦距也稱背焦距，它指的是安裝上標準鏡頭（標準C/CS接口鏡頭）時，能使被攝景物的成像恰好在CCD圖像傳感器的感光面上。一般攝像機在出廠時，對后焦距都作了適當?shù)恼{(diào)整，因此在配接定焦鏡頭的應用場合，通常都不需要調(diào)整攝像機的后焦跬。
但在有些應用場合，可能出現(xiàn)當鏡頭對焦環(huán)調(diào)整到極限位置時，仍不能使圖像清晰。在這種情況下，首先須確認鏡頭的接口是否正確，如果確認無誤，就需要對攝像機的后焦距進行調(diào)整。
定焦鏡頭后焦距的調(diào)整
第一步：將鏡頭正確安裝到攝像機上；
第二步：打開攝像機自動電子快門開關(guān)，將鏡頭光圈開到最大，并把對焦環(huán)旋至無限遠處；
第三步：對準拍攝一個20m以外的物體；
第四步：將攝像機前端用于固定后焦調(diào)節(jié)環(huán)的內(nèi)六角螺釘旋松，并旋轉(zhuǎn)后焦調(diào)節(jié)環(huán)（對沒有后焦調(diào)節(jié)環(huán)的攝像機則直接旋轉(zhuǎn)鏡頭而帶動其內(nèi)置的后焦環(huán)，）直至畫面最清晰為止；
第五步：重新旋緊內(nèi)六角螺釘。
變焦鏡頭后焦距的調(diào)整
在絕大多數(shù)攝像機配接電動變焦鏡頭的應用場合，往往都需要對攝像機的后焦距進行調(diào)整。其后焦距調(diào)整的步驟如下：
第一、二、三步同定焦鏡頭的調(diào)整；
第四步：用鏡頭控制器調(diào)整鏡頭的變焦，將景物推至最遠，即望遠狀態(tài)。
第五步：用鏡頭控制器調(diào)整鏡頭的變焦，將景物拉至最近，即廣角狀態(tài)
第六步：將攝像機前端用于固定后焦調(diào)節(jié)環(huán)的內(nèi)六角螺釘旋松，并旋轉(zhuǎn)后焦調(diào)節(jié)環(huán)（對沒有后焦調(diào)節(jié)環(huán)的攝像機則直接旋轉(zhuǎn)鏡頭而帶動其內(nèi)置的后焦環(huán)，）直至畫面最清晰為止；
第七步：重新將鏡頭推至望遠狀態(tài)，看第四步拍攝的物體是否仍清晰，如不清晰再重更第四、五、六步驟，直至景物在鏡頭變焦過程中始終清晰為止；
第八步：最后旋緊內(nèi)六角螺釘。
彩色CCD攝像機的調(diào)整
彩色CCD攝像機主要有白、黑平衡以及相應調(diào)整和色溫調(diào)整等，下面分別介紹。
白平衡（White Balance）的調(diào)整
由光源的色溫概念中知，同一光源在不同的色溫下，或不同的光源在同一色溫下，人眼感覺其照射的白色物體的顏色會有差異。如同一房間內(nèi)同時開啟日光燈及白熾燈照明，人眼會感覺日光燈照射的白色墻壁偏藍，而白熾燈照射的白色墻壁偏紅。由此可知，彩色攝像機在不同的環(huán)境色溫下，對白色墻壁應正確地重現(xiàn)白色，因此需要進行白平衡調(diào)整。所以，白平衡直接影響重現(xiàn)圖像的彩色效果。當攝像機的白平衡設(shè)置不當時，重現(xiàn)圖像就會出現(xiàn)偏色現(xiàn)象，特別是會使原本不帶色彩的景物（如白色的墻壁等）也著上了顏色。 [nextpage]
什么是白平衡？
由于彩色攝像機需輸出有“彩色”的視頻信號，而這個“彩色”是用亮度、色調(diào)、飽和度來描述的，其中亮度用來表示某彩色光的明亮程度，色調(diào)反映顏色的種類，飽和度是指顏色的純度或顏色的深淺程度。一般把色調(diào)和飽和度通稱為色度，因此色度表示顏色的類別與深淺程度，它與亮度一起描述“彩色”。
自然界中常見的各種顏色光，都可由紅、綠、藍三種顏色光按不同比例相配而成，而絕大多數(shù)顏色光也可以分解成紅、綠、藍三種色光。在理想情況下， 彩色CCD攝像機的紅、綠、藍三條等效光路得到的光能量是相等的，所以攝像機輸出的紅、綠、藍信號電壓也是相等的，從而使標準彩色監(jiān)視器能重現(xiàn)彩色攝像機所攝的純白色的景物。因此，人們把拍攝白色物體時攝像機輸出的紅、綠、藍三基色信號電壓相等(即UR=UG=UB)的現(xiàn)象，稱為白平衡。
由于顯像管只有得到三個幅度相同的基色電壓時，才能顯示出標準白色。因此，在拍攝同一白色景物的情況下，當光源的色溫變化時必須設(shè)法保持攝像機輸出的三個基色信號電壓幅度相等。通常，在光源色溫變化時，人們用調(diào)節(jié)紅、綠、藍三路增益的方法來維持UR=UG=UB的關(guān)系。這種調(diào)節(jié)就叫做白平衡調(diào)節(jié)或白平衡調(diào)整。
一般，白平衡的調(diào)整是在一定范圍內(nèi)進行的，當光源色溫的變化范圍較大時，單靠調(diào)整基色信號的增益可能仍達不到理想的效果。在這種情況下，就要通過使用色溫校正片來改變一下入射到CCD圖像傳感器的光的光譜特性。廣播級的彩色攝像機一般都配有高中低三檔色溫校正片，而在電視監(jiān)控系統(tǒng)中所用的攝像機一般都不配備色溫校正片。
值得指出的是，攝像機的白平衡性能表現(xiàn)為被攝景物在監(jiān)視器上的色彩還原，因此監(jiān)視器本身不能偏色，否則就無法判定攝像機偏色。為此，可使用視頻信號測試光碟，向監(jiān)視器輸出一個白場信號，再觀察熒屏的白色是否偏色。
自動白平衡（Auto White Balance簡稱AWB）調(diào)整
白平衡的調(diào)整是在攝像機中的處理放大器中進行的，因而可通過調(diào)整紅、藍路信號放大器的增益，使紅、綠、藍三路信號滿足UR=UG=UB的關(guān)系，即可完成白平衡的調(diào)整。其調(diào)整要求是：在任何光源下，在拍攝圖像之前，首先要拍攝一個標準的白色目標（通常為標準白平衡測試卡），再調(diào)節(jié)各路放大器增益使之達到白平衡標準，然后才能正式拍攝其他圖像。因此，當照射光源的色溫變化時，必須重新調(diào)整白平衡。
在實際的電視監(jiān)控系統(tǒng)的應用中，攝像機通常都是長時間地工作，甚至是24h連續(xù)工作，光源色溫及電路參數(shù)（尤其是在室外應用時）都會發(fā)生一定的變化，因而要多次進行手動白平衡的調(diào)整是不現(xiàn)實的。所以，現(xiàn)行彩色攝像機幾乎百分之百地應用了自動白平衡調(diào)整技術(shù)。
自動白平衡調(diào)整通常有兩種處理方法：
a、將處理放大器輸出的紅、綠、藍三基色信號送入白平衡電路，分別經(jīng)白平衡窗口（也稱為白平衡門）脈沖取樣后加以整流，以得到平均直流電平，再將紅路和藍路的平均電平分別與綠路的平均電平進行比較。以綠路電平為基準，將所得的誤差電壓放大后送回處理放大器的增益控制級，從而改變紅、藍兩路的增益，使其輸出信號電平與綠路信號電平相等，以實現(xiàn)白平衡。這種處理方法的原理如圖3所示。
圖3 自動白平衡調(diào)整原理[nextpage]
當白平衡調(diào)整完畢，自動白平衡電路應斷開。此時的誤差電壓應保持不變，并控制著增益控制級以維持白平衡。
誤差電壓的保持方式分為模擬和數(shù)字兩種：
誤差電壓的模擬保持方式是，將誤差電壓存儲在電容器上（圖1中的電容器C）。這個電容器的絕緣電阻應當盡可能地高，其4h內(nèi)記憶電平的變化要小于1%，因此與電容C并聯(lián)的等效電阻至少要大于105MΩ。這就要求C后面的運算放大器應是高輸入阻抗型的，其差模輸入電阻應大于106MΩ以上。
誤差電壓的數(shù)字保持方式是，將誤差電壓先轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號存儲起來，然后再變成模擬電壓送到增益控制級，只要計數(shù)器的電源不斷開，數(shù)字信號就維持不變，誤差電壓也就不變。
b、將色差信號R-Y和B-Y送入自動白平衡電路，經(jīng)R、C網(wǎng)絡(luò)積分后，與零電平進行比較。當拍攝白色景物并達到白平衡時，兩個色差信號都應當是零。因此，通過將色差信號與零電平進行比較，即可實現(xiàn)白平衡調(diào)整。如當R-Y>0時，則比較器輸出電壓就加到紅路增益控制級，使其增益減小，直到R-Y=0；當R-Y<0時，則紅路增益應當增大。其中藍路增益的控制，則由B-Y信號控制，具體控制方法與紅路相同。
黑平衡（Black Balance）的調(diào)整
黑平衡也是彩色攝像機的一個參數(shù)，一般廣播級攝像機都有黑平衡調(diào)整電路。但是，在電視監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用中，多為中低檔CCD彩色攝像機，因此一般都不設(shè)黑平衡調(diào)整電路，其原因是因為由于黑平衡對人眼視覺的影響遠不如白平衡對人眼視覺影響那樣強烈之故。
什么是黑平衡？
黑平衡是攝像機在拍攝黑色景物或者蓋上鏡頭蓋時，輸出的三個基色電平也應相等，這時在監(jiān)視器的屏幕上才能重現(xiàn)出純黑色，這種現(xiàn)象叫做黑平衡。若黑平衡調(diào)整不好，在監(jiān)視器的屏幕上就會出現(xiàn)黑里透紅或黑里透綠等色調(diào)。
根據(jù)前面的分析可知，正確重現(xiàn)黑白圖像是正確重現(xiàn)彩色的前提和基礎(chǔ)，因此，彩色攝像機的黑、白平衡的調(diào)整對正確重現(xiàn)彩色是十分重要的。
自動黑平衡（Auto Black Balance 簡稱ABB）調(diào)整
自動黑平衡與自動白平衡的處理方法基本相似，但引起黑電平的變化不平衡的因素，要比白電平多。從電路結(jié)構(gòu)上看，黑電平的調(diào)整和白電平的調(diào)整會互相影響。因此，在彩色攝像機的處理放大器中，在增益控制級的前面，要加暗電流和背景光補償以及雜散光校正等電路，以使黑電平既不隨增益變化，也不隨雜散光變化。這樣，調(diào)整白平衡時，就不致影響黑平衡。
自動黑平衡的處理也有兩種方式：
a、紅、綠、藍三路處理放大器黑電平由一個公共的基準黑電平來決定，當蓋上鏡頭蓋時，就自動地使每一路信號在混消隱以前保持黑電平與消隱電平一致。這樣，最后輸出的三路視頻信號的黑電平也必定是一致的。 [nextpage]
b、以綠路為基準，將紅路黑電平與藍路黑電平分別與綠路黑電平相比較，用所得誤差電壓分別控制紅路與藍路的黑電平，使它們與綠路黑電平相等。
有關(guān)電路的原理與前述自動白平衡調(diào)整電路的原理類似，這里就不再贅述。
其他性能參數(shù)的調(diào)整
除了白、黑平衡外，彩色攝像機還有其他性能參數(shù)，其中水平與垂直相位調(diào)整可保證圖像的色彩及穩(wěn)定性，而外同步輸入端口則可保證大系統(tǒng)中的多支攝像機保持同步調(diào)整鎖定狀態(tài)。
水平相位（Horizontal Phase簡稱HP）調(diào)整
水平相位也稱作行相位，它與彩色副載波（PAL制彩色副載波頻率為fs = 4.43361875MHZ）具有嚴格的鎖定關(guān)系。一旦相位失鎖，就會造成在監(jiān)視器屏幕上重現(xiàn)的圖像無彩色，或是出現(xiàn)彩色失真，如紅旗變成了綠旗，人臉的顏色也變成青綠色等。
水平相位與副載波相位的鎖定關(guān)系，是在攝像機的同步信號產(chǎn)生電路中完成的。通常，電路設(shè)計可使這一鎖定關(guān)系具有很寬的鎖相跟蹤范圍，因而一般不需調(diào)整。正因為如此，大多數(shù)中、低檔CCD彩色攝像機，一般不設(shè)有此外置HP調(diào)整的功能。
一般，對中、高檔彩色攝像機，要求其功能及適應的環(huán)境更為多些。因此，往往在攝像機的背面板或側(cè)面板上，增加一個HP調(diào)整旋鈕。一旦出現(xiàn)彩色失真，可以通過調(diào)整此HP旋鈕而加以消除。
垂直相位（Vertical Phase簡稱VP）調(diào)整
垂直相位也稱作場相位，它與行相位也具有嚴格的鎖定關(guān)系，主要用于保證正確的電視掃描規(guī)律。當監(jiān)視器屏幕上的圖像出現(xiàn)垂直流動時，調(diào)整VP旋鈕即可消除畫面的滾動。
外同步輸入（SYNC）
一般，在大多數(shù)中、高檔CCD彩色攝像機的后面板上，除了有BNC連接器的視頻輸出端口（標有VIDEO字樣）外，還有一個標有SYNC字樣的同樣形狀的端口，并在其附近設(shè)有一個拔動開關(guān)，這個BNC端口就是外同步輸入端口。當單獨使用一個攝像機時，這個端口一般無需連接，只需將視頻輸出端口通過視頻電纜連接到監(jiān)視器或錄像機等視頻設(shè)備上，即可獲得穩(wěn)定的圖像。而當同時使用多個攝像機并共用后端視頻設(shè)備（如多畫面分割器）時，有時就會出現(xiàn)多個畫面不同步的現(xiàn)象，這時就需要用到SYNC端口。
由前面的分析可知，為保證正確的電視掃描關(guān)系，攝像機內(nèi)部必須有同步信號產(chǎn)生電路。這種同步信號產(chǎn)生電路為攝像機的各部分電路提供了所需的同步信號，人們稱此時攝像機工作在內(nèi)同步方式。當多個攝像機同時用后端視頻設(shè)備時，由于各攝像機的內(nèi)同步彼此是獨立的，后端設(shè)備便無法確定去跟蹤哪一個攝像機的同步信息，因而造成各顯示畫面的不同步。順便指出，現(xiàn)行的多畫面分割器大都采用了具有較強的同步跟蹤能力的鎖相電路，因而在大多數(shù)應用場合，不會出現(xiàn)上述各顯示畫面不同步的現(xiàn)象。
通過SYNC拔動開關(guān)將攝像機置于外同步方式，并將各攝像機的外同步輸入端口連接到一個外接同步信號發(fā)生器上，則各攝像機即關(guān)斷了各自的內(nèi)同步產(chǎn)生電路，而是從外同步輸入端口中獲取并分離出各部分所需的同步信息。由于此時各攝像機的同步信息是來自同一個同步信號發(fā)生器，因而保證了各攝像機畫面的同步關(guān)系。一般，外同步方式連接示意如圖4所示。
圖4 外同步方式連接示意圖
順便指出，在某些特殊應用中（如用多臺攝像機進行圖像測量等），攝像機必須使用這種外同步工作的方式。
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