CCD 數位影像基礎原理（一）
資料來源：https://www.microscopyu.com/digital-imaging/fundamentals-of-digital-imaging
在過去幾十年，顯微鏡攝影的主要媒介是膠卷底片，忠實地重現無數光學顯微鏡影像，為科學界提供了重大的貢獻。直到近十年左右，數位攝影機和電腦技術的改進使數位影像比傳統類比攝影更加便宜且易於使用。
當一個擁有電荷耦合元件（CCD）成像感測器的攝影機在感測器上或感測器附近連接有類比 - 數位轉換器（A/D Converter, ADC），通常被稱為數位攝影機，轉換的過程則被稱為數位化。因為 CCD 晶片像所有光學感測器一樣是模擬設備，利用一系列變化的電壓在攝影機中被數字化，並以電腦兼容格式輸出時，才使用「數位」一詞。在一台 12 位元的數位攝影機中，來自 CCD 的模擬信號由 ADC 以 12 位深度進行數字化。能否將輸出實際解析為 4,096 個離散的灰階強度級別（2 的 12 次方）取決於攝影機雜訊。為了區分每個灰階的強度差異，每個灰階階差應該比攝影機雜訊大約 2.7 倍，否則兩階之間的差異無法確定地被解析。
這邊會有個疑問：如果信號一開始就是模擬的，為什麼要選在攝影機中數位化，而不是在後續的數據處理步驟呢？
因為使用攝影機內的 ADC 有兩個好處：減少雜訊、直接與電腦格式相容的輸出。
一般來說，ADC 距離感測器越近，雜訊就越少，而且來自 CCD 的低階類比訊號比起高階數位訊號更容易被雜訊干擾。在理想情況下，ADC 直接位於 CCD 晶片上，並緊鄰感測器的輸出放大器。雜訊越低，就能夠識別更多灰階，因此可以使用於強度測量的位元數會更多。以 12 位元的攝影機舉例，若雜訊等級約略為灰階 30，則可用於測量辨識的灰階數為 4,066 階；若雜訊等級約略為 300，則可用於測量辨識的灰階數僅剩 3,796 階，雜訊越大可用位元數越少，可辨識的解析度就更差。
另一個優點是輸出完全適合電腦顯示器的格式。由於訊號已經數位化，因此與電腦在處理視訊訊號的操作相似，影像儲存、計算和顯示所需的處理大大簡化。由於許多科學期刊現在都接受數位影像，因此也消除了處理印刷品、幻燈片和底片等相關實體文件的困難。由於數位化影像可以被計算、壓縮、透過網路傳輸、貼到文件中或調整到海報中，顯著提高了發布圖像和簡報中顯示的圖像品質及製作效率。
與類比攝影機相比，數位攝影機還有其他優點。與類比攝影機產生的隔行訊號不同，數位攝影機是逐行掃描輸出。隔行影像訊號的數位化需要專門的擷取板和影格緩衝區，而逐行掃描攝影機的輸出可以直接經由多種介面連接到電腦（例如 IEEE-1394、RS-422 或 SCSI）。在逐行掃描攝影機中，首先在曝光時間（也稱為積分時間）期間獲取整個影像，然後從影像頂部到底部逐行讀取。現代高速訊號放大器和 ADC，允許數位攝影機以比視訊播放影格速率相等，或超過的速率產生全幀影像。在此條件下，逐行掃描可經歷較少次的存放與讀取。
CCD架構
數位相機中常用的兩種 CCD 設計：行間傳輸（interline transfer）和全幀傳輸（frame transfer）。行間傳輸 CCD 在每個光電二極體旁邊都包含電荷傳輸通道，因此累積的電荷可以有效且快速地轉移到傳輸通道上（圖1），像素內感光區域很快就可以為下一次曝光做好準備，再加上下一次曝光的同時，傳輸仍然能持續進行，意即曝光與傳輸能同時進行，帶來的好處是能進行快速連續的拍攝，甚至是動態影像。全幀傳輸 CCD 使用兩部分感測器，其中上半部被不透光光罩覆蓋，並用作儲存區域。讓光照射到未覆蓋的部分，然後累積的電荷迅速轉移到標記的儲存區域。當訊號在感測器上積分時，儲存的電荷被讀出。
彩色數位相機在科學應用通常分為兩種類型：帶有特定波長濾光片的單 CCD 相機或三感測器相機。兩者都使用濾光片來產生紅、綠和藍各色版本的視野。單感光元件相機使用濾光輪或液晶可調濾光片依序取得紅、綠、藍影像。三感測器相機具有分光鏡和濾光片，使每個感測器能夠成像適當的顏色，並同時獲取所有三色影像。由於額外的分束和濾光，彩色相機的靈敏度總是低於單色相機。在某些應用中，特別是免疫螢光，靈敏度的損失可以透過同時或快速連續捕獲多個波長的能力來抵消。此外，一些彩色相機透過對角偏移紅色、綠色和藍色感測器（各偏移三分之一像素）來實現更高的分辨率，從而使獲得的樣本數量增加兩倍。
儘管相機製造商和使用者通常將每個光電二極體稱為像素，但感測器中的像素與電腦顯示器或印表機中的像素，其數量和位置之間並不存在必然的對應關係。但是，顯示器或印表機的解析度必須至少與感測器的解析度一樣高，才能完整利用感測器取得的光資訊。
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