信息光學(xué)結(jié)課論文

1、<p>　　信息光學(xué)原理結(jié)課論文</p><p>　　學(xué)院：物理與電子工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　學(xué)號(hào)：5411110101 xx </p><p>　　姓名：xxx </p><p>　　光學(xué)器件CCD發(fā)展及應(yīng)用</p>&l

2、t;p>　　【摘要】：CCDCCD英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像傳感器,也叫圖像控制器。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(hào)。 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?cái)?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，但它是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)

3、變成電信號(hào)，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。此外，CCD還是蜂群崩潰混亂癥的簡(jiǎn)稱。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】：CCDCCD 光學(xué)器件 電壓 檢測(cè)應(yīng)用</p><p>　　CCD廣泛應(yīng)用在數(shù)碼攝影、天文學(xué)，尤其是光學(xué)遙測(cè)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，只不過攝像機(jī)中使用的是點(diǎn)陣CCD，即包括

4、x、y兩個(gè)方向用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用的是線性CCD，它只有x一個(gè)方向，y方向掃描由掃描儀的機(jī)械裝置來完成。</p><p>　　CCD是于1969年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）的維拉·波義耳(Willard S. Boyle）和喬治·史密斯（GeorgeE. Smith）所發(fā)明的。當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來后，波義耳和史密斯得出

5、一種裝置，他們命名為“電荷‘氣泡’元件”（Charge "Bubble" Devices）。這種裝置的特性就是它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來做為記憶裝置，當(dāng)時(shí)只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)位影像?！〉搅?0年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員已經(jīng)能用簡(jiǎn)單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續(xù)此一發(fā)明，著手進(jìn)行進(jìn)一步的研究，包括快捷半導(dǎo)體（F

6、airchild Semiconductor）、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）。其中快捷半導(dǎo)體的產(chǎn)品領(lǐng)先上市，于1974年發(fā)表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。</p><p>　　以上為CCD發(fā)展歷程：</p><p>　　HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)傳感器[1] 是在N型基板，P型，N+2

7、極體的表面上，加上正孔蓄積層，這是SONY獨(dú)特的構(gòu)造。由于設(shè)計(jì)了這層正孔蓄積層，可以使感測(cè)器表面常有的暗電流問題獲得解決。另外，在N型基板上設(shè)計(jì)電子可通過的垂直型隧道，使得開口率提高，換句換說，也提高了感度。在80年代初期，索尼將其領(lǐng)先使用在可變速電子快門產(chǎn)品中，在拍攝移動(dòng)快速的物體也可獲得清晰的圖象。</p><p>　　在攝影機(jī)的光學(xué)鏡頭的光圈F值不斷的提升下，進(jìn)入到攝影機(jī)內(nèi)的斜光就越來越多，使得入射到CCD

8、組件的光無法百分之百的被聚焦到感測(cè)器上，而CCD感測(cè)器的感度將會(huì)降低。1998年索尼公司為改善這個(gè)問題，將彩色濾光片和遮光膜之間再加上一層內(nèi)部的鏡片。加上這層鏡片后可以改善內(nèi)部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同時(shí)將硅基板和電極間的絕緣層薄膜化，讓會(huì)造成垂直CCD畫面雜訊的訊號(hào)不會(huì)進(jìn)入，使SMEAR特性改善。</p><p>　　比可視光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外線光，也可以在半導(dǎo)體硅芯片內(nèi)做光電變換。可是至當(dāng)前為止，

9、CCD無法將這些光電變換后的電荷，以有效的方法收集到感測(cè)器內(nèi)。為此，索尼在1998年新開發(fā)的“EXVIEW HAD CCD”技術(shù)就可以將以前未能有效利用的近紅外線光，有效轉(zhuǎn)換成為映像資料而用。使得可視光范圍擴(kuò)充到紅外線，讓感亮度能大幅提高。利用“EXVIEWHAD CCD”組件時(shí)，在黑暗的環(huán)境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深層中做的光電變換時(shí)，會(huì)漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分，也可被收集到傳感器內(nèi)，所以影響畫質(zhì)的雜訊也會(huì)

10、大幅降低。</p><p>　　CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)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，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采

11、用光學(xué)方法測(cè)量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。</p><p>　　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，每組稱為一相，并施加同樣的時(shí)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(chǎng)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(duì)較簡(jiǎn)單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處

12、理信息速度快，外圍電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，但獲取信息量小，不能處理復(fù)雜的圖像（線陣CCD如右圖所示）。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(gè)方陣，并以一定的形式連接成一個(gè)器件，獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。</p><p>　　編輯紅外感應(yīng)：其實(shí)在CCD中，本來就對(duì)紅外光有感應(yīng)，能看到紅外線，例如：使用黑白攝像機(jī)，在關(guān)掉明亮電燈的情況下，開啟紅外燈，馬上可以看到影像。這是由于黑白攝像機(jī)本來就沒顏

13、色，但在現(xiàn)實(shí)使用的彩色CCD多數(shù)看不到紅外線。其實(shí)，彩色CCD也能識(shí)別和感應(yīng)到紅外線，但會(huì)干擾到D.S.P （影像處理主芯片）的運(yùn)算以導(dǎo)致”偏色”，因此，在彩色CCD中為了讓其不“偏色”，在彩色CCD上頭黏的那片濾光片，讓它不能接收紅外線。</p><p>　　數(shù)碼相機(jī)：一般的彩色數(shù)碼相機(jī)是將拜爾濾鏡（Bayer filter）加裝在CCD上。每四個(gè)像素形成一個(gè)單元，一個(gè)負(fù)責(zé)過濾紅色、一個(gè)過濾藍(lán)色，兩個(gè)過濾綠色（

14、因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色比較敏感）。結(jié)果每個(gè)像素都接收到感光訊號(hào)，但色彩分辨率不如感光分辨率。</p><p>　　四十年來，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(cè)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(hào)，在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成“0”或“1”的數(shù)

15、字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮和程序排列后，可由閃速存儲(chǔ)器或硬盤卡保存即收光信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電子圖像信號(hào)，可對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量、分析。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]賈光明,張貴忠,向望華. 用全固態(tài)激光器和一維CCD 測(cè)定微粒粒徑[J].光</p><p><b>　　子學(xué)報(bào)&

16、lt;/b></p><p>　　[2]石成英,朱滿林,姜勤波.CCD激光微位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量頭設(shè)計(jì)[J]. 激光</p><p>　　[3]石成英，姜勤波，王少龍. CCD 激光微位移測(cè)量頭在應(yīng)用中的問題及對(duì)策</p><p><b>　　[J].激光雜志</b></p><p>　　[4]趙育良, 張忠民. 基

17、于CCD 激光干涉微位移測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度分析[J].傳感</p><p><b>　　器技術(shù)</b></p><p>　　[5]趙育良,許兆林,李開端. 基于CCD 的激光微位移測(cè)量系統(tǒng)研究[J].激光技</p><p><b>　　術(shù)</b></p><p>　　[6]鄒萬軍,朱國力,吳學(xué)兵. 基于