CCD的功能特性及应用

关键词： 光学 , 光学技术 , 光学材料

　　CCD 是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD 上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块 CCD 上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD 的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD 上有许多排列整齐的电容 能感应光线 并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD 广泛应用在数位摄影、天文学尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜 和高速摄影技术如 Lucky imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛。
　　CCD 功能特性
　　CCD 图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号 实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小 工作电压低 抗冲击与震动 性能稳定 寿命长；3.灵敏度高 噪声低 动态范围大；4.响应速度快有自扫描功能 图像畸变小 无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产 像素集成度高 尺寸精确 商 化生产成本低。因此 许多采用光学方法测量外径的仪器把CCD 器件作为光电接收器。
　　CCD 从功能上可分为线阵CCD 和面阵CCD 两大类。线阵CCD 通常将 CCD 内部电极分成数组，组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD 芯片内部结构决定 结构相异的CCD 可满足不同场合的使用要求。线阵CCD 有单沟道和双沟道之分 其光敏区是MOS 电容或光敏二极管结构 生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成 特点是处理信息速度快，外围电路简单 易实现实时控制，但获取信息量小 不能处理复杂的图像。面阵CCD 的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件获取信息量大，能处理复杂的图像。
　　CCD 的应用
　　CCD 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展 特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD 技术和理论的不断发展 CCD 技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD 是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号 在通过模数转换器芯片转换成 “0”或“1”的数字信号 这种数字信号经过压缩和程 排列后 可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。
　　含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光)优于传统菲林（底片）的2%因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。
　　传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后依其亮度的强弱在个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD次捕捉一细长条的光影而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元到达边缘最后一个单元时电荷讯号传入放大器转变成电位。如此周著复始直到整个影像都转成电位取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。
　　在数码相机领域 CCD 的应用更是异彩纷呈。一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayer filter ）加装在 CCD 上。 四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色 两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。
　　用三片 CCD 和分光棱镜组成的 3CCD 系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD 各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机 和一部份的半专业级数位摄影机采用 3CCD 技术。目前 超高分辨率的 CCD 芯片 相当昂贵 配备 3CCD 的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜 兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物 。
　　经冷冻的 CCD 同时在 1990 年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置 而各大型天文台亦不断研发高像数CCD 以拍摄极高解像之天体照片。
　　CCD 在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD 上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致 速度也同步，以CCD 导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差 还能使望远镜记录到比原来更大的视场。
　　一般的 CCD 大多能感应红外线 所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰 天文用CCD 常以液态氮或半导体冷却 因室温下的物体会有红外线的黑体幅射效应。CCD 对红外线的敏感度造成另一种效应 各种配备CCD 的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜 很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流 增进 CCD 在低照度的敏感度甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升 （信噪比提高）。
　　温度噪声、暗电流 （dark current）和宇宙辐射都会影响CCD 表面的像素。天文学家利用快门的开阖 让CCD 多次曝光 取其平均值以缓解干扰效应。为去除背景噪声 要先在快门关 时取影像讯号的平均值 即为“暗框” (dark frame)。然后打开快门 取得影像后减去暗框的值 再滤除系统噪声(暗点和亮点等等)  得到更清晰的细节。
　　天文摄影所用的冷却CCD 照相机必须以接环固定在成像位置 防止外来光线或震动影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重 要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像天文学家利用“ 自动导星”技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同轴 CCD 监测任何影像的偏移 然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之 CCD 相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD 导星装置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。
　　应用
　　激光三角法微位移传感器是一种新型微位移传感器，采用激光作位移信号的传输介质，激光的方向性好、光功率稳定，因此传感器的分辨率高，测量精度高，稳定性好，体积小；光电接收元件为 CCD 或 PSD，测量频率高。目前常用的激光三角法传感器如Micro-Epsilon 的产品采用激光直射法，测量精度高，线性度好。
　　新型微位移传感器的结构由半导体激光器、准直透镜、光栏、聚焦透镜、高速线阵CCD 和实时信号处理电路组成。半导体激光器发生的发散激光经准直光路准直后成为平行光，经光栏调整光束直径后入射在被测物体表面上，其反射光经聚焦光路后聚焦成直径小于 CCD 像元尺寸的光斑照射在线阵 CCD 上；当被测物体转动时，反射激光光斑发生偏转，所照射的 CCD 的像元位置随之变化；实时信号处理电路产生时间长度为 T 的斜坡信号，并在时间T 内按次 读取 CCD 的N 个像元的输出视频信号，逐一分别与参考电压进行实时比较，当光斑照射在像元上，其输出视频信号超过参考电压时，实时输出该时刻的斜坡信号的电压值，该电压值与被测物体的角位移成正比。常用微位移传感器的会聚光直射式激光三角法，最小量程较大，而且被测物体必须精确放置在激光的焦点上，不适用于微小角位移的测量；新型微位移传感器采用平行光斜射式激光三角法，由于采用平行光，被测物体的放置位置无严格要求，最小量程小，适用于微小角位移的测量。采用光栏调整入射到被测物体表面的平行光束的直径，从而可以调整照射到 CCD 上的光斑的直径，光斑直径和平行光束的直径成反比。
　　新型微位移传感器采实时信号处理电路代替通常的激光三角法微位移传感器的由DSP 和外围器件及其软件组成的后信号处理电路，并采用高速 CCD，提高了传感器光电接收器件的最高采样频率，缩短了处理时间，从而提高了传感器的测量频率，使得新型传感器应用于高频微位移的动态实时测量成为可能，将其输出连接到示波器，能够实时在线测量微小角位移的动态特性，包括阶跃响应、正弦响应等。
　　该信号处理电路由时 发生电路、斜坡信号发生电路、比较器、采样保持电路等组成。时 发生电路产生线阵CCD 的操作时 逻辑，驱动CCD 在一定的时间T 内按时 输出视频信号；同时，斜坡信号发生电路在时间T 内同步生成一个-5V~+5V 的斜坡信号；比较器逐一比较。
　　CCD 的输出信号与参考电压，当CCD 的输出信号比参考电压大时，输出为正，反之，输出为负；当比较器的输出为高时，使能采样保持电路采样该时刻的斜坡信号的电压值并输出保持，因此该电压值与被测角位移成正比。斜坡信号的幅值表征了 CCD 有效像元的数目和传感器的最大量程；CCD 的输出频率和有效像元数目N，采样保持电路的采样速度等决定了传感器的测量频率；CCD 像元的尺寸决定了传感器的分辨率。
　　基于线阵 CCD 的微小角位移传感器，采用平行光斜射激光三角法原理，由高速线阵CCD、实时信号处理电路及高速器件及相关光学部件组成，为其适用于微小角位移的测量，结构简单，线性度好，灵敏度高，测量频率高，分辨率高和实时性好奠定了基础。随着电子技术的发展 CCD 技术将更加完善。使用CCD 测量光强的测量精度会大大提高 再加上 CCD 系统可以通过计算机直接显示光强分布曲线 成像清晰、透光强、杂散光少等优点并有效减小测量误差 从而取代传统的使用硅光电池测光强的方法，为传统实验增加了新的科技内容。