CCD的功能特性及應(yīng)用

關(guān)鍵詞： 光學(xué) , 光學(xué)技術(shù) , 光學(xué)材料

　　CCD 是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。CCD 上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊 CCD 上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD 的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CCD 上有許多排列整齊的電容 能感應(yīng)光線 并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD 廣泛應(yīng)用在數(shù)位攝影、天文學(xué)尤其是光學(xué)遙測技術(shù)、光學(xué)與頻譜望遠(yuǎn)鏡 和高速攝影技術(shù)如 Lucky imaging。CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和掃描儀中應(yīng)用廣泛。
　　CCD 功能特性
　　CCD 圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號 實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小 工作電壓低 抗沖擊與震動 性能穩(wěn)定 壽命長；3.靈敏度高 噪聲低 動態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快有自掃描功能 圖像畸變小 無殘像；5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn) 像素集成度高 尺寸精確 商 化生產(chǎn)成本低。因此 許多采用光學(xué)方法測量外徑的儀器把CCD 器件作為光電接收器。
　　CCD 從功能上可分為線陣CCD 和面陣CCD 兩大類。線陣CCD 通常將 CCD 內(nèi)部電極分成數(shù)組，組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定 結(jié)構(gòu)相異的CCD 可滿足不同場合的使用要求。線陣CCD 有單溝道和雙溝道之分 其光敏區(qū)是MOS 電容或光敏二極管結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)工藝相對較簡單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成 特點是處理信息速度快，外圍電路簡單 易實現(xiàn)實時控制，但獲取信息量小 不能處理復(fù)雜的圖像。面陣CCD 的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個方陣，并以一定的形式連接成一個器件獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。
　　CCD 的應(yīng)用
　　CCD 器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展 特別是在圖像傳感和非接觸測量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。隨著CCD 技術(shù)和理論的不斷發(fā)展 CCD 技術(shù)應(yīng)用的廣度與深度必將越來越大。CCD 是使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料集成，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號 在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成 “0”或“1”的數(shù)字信號 這種數(shù)字信號經(jīng)過壓縮和程 排列后 可由閃速存儲器或硬盤卡保存即收光信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別的電子圖像信號，可對被側(cè)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的測量、分析。
　　含格狀排列像素的CCD應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)掃瞄儀與攝影機(jī)的感光元件。其光效率可達(dá)70%(能捕捉到70%的入射光)優(yōu)于傳統(tǒng)菲林（底片）的2%因此CCD迅速獲得天文學(xué)家的大量采用。
　　傳真機(jī)所用的線性CCD影像經(jīng)透鏡成像于電容陣列表面后依其亮度的強(qiáng)弱在個電容單位上形成強(qiáng)弱不等的電荷。傳真機(jī)或掃瞄儀用的線性CCD次捕捉一細(xì)長條的光影而數(shù)碼相機(jī)或攝影機(jī)所用的平面式CCD則一次捕捉一整張影像或從中擷取一塊方形的區(qū)域。一旦完成曝光的動作控制電路會使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個單元到達(dá)邊緣最后一個單元時電荷訊號傳入放大器轉(zhuǎn)變成電位。如此周著復(fù)始直到整個影像都轉(zhuǎn)成電位取樣并數(shù)位化之后存入內(nèi)存。儲存的影像可以傳送到打印機(jī)、儲存設(shè)備或顯示器。
　　在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域 CCD 的應(yīng)用更是異彩紛呈。一般的彩色數(shù)碼相機(jī)是將拜爾濾鏡（Bayer filter ）加裝在 CCD 上。 四個像素形成一個單元，一個負(fù)責(zé)過濾紅色、一個過濾藍(lán)色 兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結(jié)果每個像素都接收到感光訊號，但色彩分辨率不如感光分辨率。
　　用三片 CCD 和分光棱鏡組成的 3CCD 系統(tǒng)能將顏色分得更好，分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍(lán)、綠三種色光，由三片CCD 各自負(fù)責(zé)其中一種色光的呈像。所有的專業(yè)級數(shù)位攝影機(jī) 和一部份的半專業(yè)級數(shù)位攝影機(jī)采用 3CCD 技術(shù)。目前 超高分辨率的 CCD 芯片 相當(dāng)昂貴 配備 3CCD 的高解析靜態(tài)照相機(jī)，其價位往往超出許多專業(yè)攝攝影者的預(yù)算。因此有些高檔相機(jī)使用旋轉(zhuǎn)式色彩濾鏡 兼顧高分辨率與忠實的色彩呈現(xiàn)。這類多次成像的照相機(jī)只能用于拍攝靜態(tài)物 。
　　經(jīng)冷凍的 CCD 同時在 1990 年代初亦廣泛應(yīng)用于天文攝影與各種夜視裝置 而各大型天文臺亦不斷研發(fā)高像數(shù)CCD 以拍攝極高解像之天體照片。
　　CCD 在天文學(xué)方面有一種奇妙的應(yīng)用方式，能使固定式的望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮有如帶追蹤望遠(yuǎn)鏡的功能。方法是讓CCD 上電荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致 速度也同步，以CCD 導(dǎo)星不僅能使望遠(yuǎn)鏡有效糾正追蹤誤差 還能使望遠(yuǎn)鏡記錄到比原來更大的視場。
　　一般的 CCD 大多能感應(yīng)紅外線 所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度(或趨近零照度)攝影機(jī)/照相機(jī)等。為了減低紅外線干擾 天文用CCD 常以液態(tài)氮或半導(dǎo)體冷卻 因室溫下的物體會有紅外線的黑體幅射效應(yīng)。CCD 對紅外線的敏感度造成另一種效應(yīng) 各種配備CCD 的數(shù)碼相機(jī)或錄影機(jī)若沒加裝紅外線濾鏡 很容易拍到遙控器發(fā)出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流 增進(jìn) CCD 在低照度的敏感度甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升 （信噪比提高）。
　　溫度噪聲、暗電流 （dark current）和宇宙輻射都會影響CCD 表面的像素。天文學(xué)家利用快門的開闔 讓CCD 多次曝光 取其平均值以緩解干擾效應(yīng)。為去除背景噪聲 要先在快門關(guān) 時取影像訊號的平均值 即為“暗框” (dark frame)。然后打開快門 取得影像后減去暗框的值 再濾除系統(tǒng)噪聲(暗點和亮點等等)  得到更清晰的細(xì)節(jié)。
　　天文攝影所用的冷卻CCD 照相機(jī)必須以接環(huán)固定在成像位置 防止外來光線或震動影響；同時亦因為大多數(shù)影像平臺生來笨重 要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像天文學(xué)家利用“ 自動導(dǎo)星”技術(shù)。大多數(shù)的自動導(dǎo)星系統(tǒng)使用額外的不同軸 CCD 監(jiān)測任何影像的偏移 然而也有一些系統(tǒng)將主鏡接駁在拍攝用之 CCD 相機(jī)上。以光學(xué)裝置把主鏡內(nèi)部份星光加進(jìn)相機(jī)內(nèi)另一顆CCD 導(dǎo)星裝置，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差并自動調(diào)整驅(qū)動馬達(dá)以矯正誤差而不需另外裝置導(dǎo)星。
　　應(yīng)用
　　激光三角法微位移傳感器是一種新型微位移傳感器，采用激光作位移信號的傳輸介質(zhì)，激光的方向性好、光功率穩(wěn)定，因此傳感器的分辨率高，測量精度高，穩(wěn)定性好，體積?。还怆娊邮赵?CCD 或 PSD，測量頻率高。目前常用的激光三角法傳感器如Micro-Epsilon 的產(chǎn)品采用激光直射法，測量精度高，線性度好。
　　新型微位移傳感器的結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡、光欄、聚焦透鏡、高速線陣CCD 和實時信號處理電路組成。半導(dǎo)體激光器發(fā)生的發(fā)散激光經(jīng)準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直后成為平行光，經(jīng)光欄調(diào)整光束直徑后入射在被測物體表面上，其反射光經(jīng)聚焦光路后聚焦成直徑小于 CCD 像元尺寸的光斑照射在線陣 CCD 上；當(dāng)被測物體轉(zhuǎn)動時，反射激光光斑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所照射的 CCD 的像元位置隨之變化；實時信號處理電路產(chǎn)生時間長度為 T 的斜坡信號，并在時間T 內(nèi)按次 讀取 CCD 的N 個像元的輸出視頻信號，逐一分別與參考電壓進(jìn)行實時比較，當(dāng)光斑照射在像元上，其輸出視頻信號超過參考電壓時，實時輸出該時刻的斜坡信號的電壓值，該電壓值與被測物體的角位移成正比。常用微位移傳感器的會聚光直射式激光三角法，最小量程較大，而且被測物體必須精確放置在激光的焦點上，不適用于微小角位移的測量；新型微位移傳感器采用平行光斜射式激光三角法，由于采用平行光，被測物體的放置位置無嚴(yán)格要求，最小量程小，適用于微小角位移的測量。采用光欄調(diào)整入射到被測物體表面的平行光束的直徑，從而可以調(diào)整照射到 CCD 上的光斑的直徑，光斑直徑和平行光束的直徑成反比。
　　新型微位移傳感器采實時信號處理電路代替通常的激光三角法微位移傳感器的由DSP 和外圍器件及其軟件組成的后信號處理電路，并采用高速 CCD，提高了傳感器光電接收器件的最高采樣頻率，縮短了處理時間，從而提高了傳感器的測量頻率，使得新型傳感器應(yīng)用于高頻微位移的動態(tài)實時測量成為可能，將其輸出連接到示波器，能夠?qū)崟r在線測量微小角位移的動態(tài)特性，包括階躍響應(yīng)、正弦響應(yīng)等。
　　該信號處理電路由時 發(fā)生電路、斜坡信號發(fā)生電路、比較器、采樣保持電路等組成。時 發(fā)生電路產(chǎn)生線陣CCD 的操作時 邏輯，驅(qū)動CCD 在一定的時間T 內(nèi)按時 輸出視頻信號；同時，斜坡信號發(fā)生電路在時間T 內(nèi)同步生成一個-5V~+5V 的斜坡信號；比較器逐一比較。
　　CCD 的輸出信號與參考電壓，當(dāng)CCD 的輸出信號比參考電壓大時，輸出為正，反之，輸出為負(fù)；當(dāng)比較器的輸出為高時，使能采樣保持電路采樣該時刻的斜坡信號的電壓值并輸出保持，因此該電壓值與被測角位移成正比。斜坡信號的幅值表征了 CCD 有效像元的數(shù)目和傳感器的最大量程；CCD 的輸出頻率和有效像元數(shù)目N，采樣保持電路的采樣速度等決定了傳感器的測量頻率；CCD 像元的尺寸決定了傳感器的分辨率。
　　基于線陣 CCD 的微小角位移傳感器，采用平行光斜射激光三角法原理，由高速線陣CCD、實時信號處理電路及高速器件及相關(guān)光學(xué)部件組成，為其適用于微小角位移的測量，結(jié)構(gòu)簡單，線性度好，靈敏度高，測量頻率高，分辨率高和實時性好奠定了基礎(chǔ)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展 CCD 技術(shù)將更加完善。使用CCD 測量光強(qiáng)的測量精度會大大提高 再加上 CCD 系統(tǒng)可以通過計算機(jī)直接顯示光強(qiáng)分布曲線 成像清晰、透光強(qiáng)、雜散光少等優(yōu)點并有效減小測量誤差 從而取代傳統(tǒng)的使用硅光電池測光強(qiáng)的方法，為傳統(tǒng)實驗增加了新的科技內(nèi)容。