關(guān)于CCD相機的應用的論文

　　引言

　　CCD(Charge Couple Device)中文名為“電荷耦合器件”，是一種以電荷包的形式存儲和傳遞信息的半導體表面器件。1969年，美國貝爾電話(huà)實(shí)驗室的w．S．Boyle和G．E．Smith在探索磁泡器件的電模擬過(guò)程中，產(chǎn)生了電荷耦合器件原理的設想，并在實(shí)驗中得到驗證。最初，CCD只是作為存儲器件使用，但后來(lái)依靠已經(jīng)成熟的MOS集成電路工藝，CCD技術(shù)得到迅速的發(fā)展。

　　CCD的工作原理

　　CCD是一種大規模集成電路工藝制作的半導體光電元件，它在半導體硅片上制有成千上萬(wàn)個(gè)光敏元，產(chǎn)生與照在它上面的光強成正比的電荷。CCD基本構成單元是MOS電容器，它以電荷為信號，通過(guò)對金屬電極施加時(shí)鐘脈沖信號，在半導體內部形成儲存載流子的勢阱。當光或電注入時(shí)，將代表信號的載流子引入勢阱，再利用時(shí)鐘脈沖的規律變化，使電極下的勢阱作相應變化，就可以使代表輸入信號的載流子在半導體表面作定向運動(dòng)，再通過(guò)對電荷的收集、放大，把信號取出。

　　CCD的發(fā)展與應用

　　世界各科技強國在CCD研制、開(kāi)發(fā)及應用領(lǐng)域都投入了大量的人力、物力和財力，展開(kāi)了廣泛而深入的工作。美國是研究CCD技術(shù)最早的國家，在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。Bell實(shí)驗室是CCD研究的發(fā)源地，并在CCD傳感器和電荷信號處理研究方面保持優(yōu)勢。通用電器(GEC)、無(wú)線(xiàn)電(RCA)和柯達fKODAK)等著(zhù)名公司的研究機構在面向軍、民用及工藝研究居于領(lǐng)先地位。日本是CCD生產(chǎn)大國，產(chǎn)量居世界之首。索尼(SONY)、NEC等公司的CCD研發(fā)很快，已成為美國強大的競爭對手。[1]

　　1974年，美國RCA公司的512×320像元面陣CCD攝像機首先問(wèn)世。近年來(lái)， 隨著(zhù)大規模、超大規模集成電路工藝的發(fā)展，CCD研制水平不斷提高，陣列元素不斷增加，CCD攝像機的性能也越來(lái)越好，并且CCD芯片的成品率不斷提高，器件尺寸不斷縮小。CCD圖像傳感器的像素高密度集成化己有了顯著(zhù)的突破，線(xiàn)陣CCD的像元數己從128個(gè)發(fā)展到15，000個(gè)，而且面陣CCD的像元數也高達9000×9000個(gè)，像元尺寸己做到79m以下。為滿(mǎn)足醫學(xué)應用，己出現了像元面積為7mm2、內含4～8萬(wàn)像素的陣列、用于胃鏡和腸鏡中的小面積成像器件。美國LOCKHEED MATIN公司1996年制作出像素尺寸8．75¨m×8．759m、9000×9000像素的CCD；而像素尺寸10pm×10pm、像素規模10000×10000的CCD已于2000年完成設計。日

　　本索尼、夏普等公司制作的CCD器件的最小像素尺寸縮小到2．5／．tm×2。50m。

　　CCD相機

　　CCD相機在信號處理、影像傳感和數字存儲等三大領(lǐng)域中應用廣泛。

　　CCD相機的優(yōu)點(diǎn)

　　它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)體積小，集成度高，結實(shí)耐用及功耗低。

　　(2)在一個(gè)較寬的波長(cháng)范圍內有著(zhù)近乎完美的靈敏度。

　　(3)工作條件是從低照度到非常高照度都能使用。

　　(4)有很好的穩定度和線(xiàn)性度。

　　(5)由于硅陣列結構的固定及緊湊，生成的圖像不會(huì )變形。[2]

　　像增強型CCD相機（ICCD）

　　ICCD的組成

　　日前國際上火多數ICCD相機產(chǎn)品都是由像增強器，光纖耦合元件和CCD陣列三個(gè)部件構成。

　　像增強器由光電陰極，微通道板和熒光屏組成．

　　在ICCD相機中，光子入射到像增強器的光電陰極，發(fā)射出的電子經(jīng)微通道板倍增后，經(jīng)熒光屏轉換成光子。輸出的增亮圖像經(jīng)光纖面板或光錐耦合CCD陣列上。CCD陣列探測并將圖像讀出。

　　ICCD的優(yōu)點(diǎn)

　　像增強型相機有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　選通：像增強器光電陰極可在5ns的時(shí)間間隔內，完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因而可起到電

　　子開(kāi)關(guān)的作用。

　　增益：像增強器的電子增益可高達10000：1．這可使微弱光電信號被放大至超過(guò)

　　CCD的讀出噪聲。

　　光纖耦合元件可實(shí)現從一發(fā)光平面表面到CCD陣列表面，高效的光學(xué)耦合．光纖耦合形式的耦合效率一般為：50～60％(透鏡系統約為10％)．光纖耦合不限于l：1的'傳像，光錐可提供5：l的縮放比．

　　1：1光纖耦合的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì )產(chǎn)生透鏡系統中存在的光暈，畸變和長(cháng)程串話(huà)現象．

　　國外ICED相機應用現狀

　　在國外，ICCD相機被應用于以下諸多領(lǐng)域：

　　1．彈上下視系統[3]

　　資料及分析結果顯示，美制巡航導彈的下視系統的成像器，是由超_二代或

　　三代像增強器，光錐和ICCD陣列耦合組成的ICCD相機。

　　2．星基探測系統

　　(1)火箭尾氣探測系統：

　　該探測系統中使用的紫外尾氣探測儀(UVPI)，由兩臺并列，共享通同一望遠裝置的ICCD相機組成．該儀器己獲得近紫外／可見(jiàn)光火箭尾氣的高清晰圖像．該火箭尾氣探測系統的工作平臺，低能量大氣補償實(shí)驗(LACE)衛星。

　　(2)空間碎片探測系統：

　　該星載探測系統由一小的距離選通脈沖激光器，和高增益ICCD相機組成．用于無(wú)太陽(yáng)閃爍的條件下，小的空間碎片的在軌探測。在約800m的距離上，可探測到lmm的空間碎片。

　　3．頭盔顯示器

　　安裝有ICCD相機的一體化頭盔，使得戰斗機，攻擊機和直升機駕駛員能夠在微光條件下，觀(guān)察和顯示目標．

　　4．x射線(xiàn)相機

　　x射線(xiàn)相機由x射線(xiàn)像增強器，光纖耦臺元件，和CCD陣列構成．在醫學(xué)上，x射線(xiàn)相機的攝像用x射線(xiàn)劑量，是普通x射線(xiàn)攝像方法的1／lO～1／50，并可實(shí)現遙測診斷：在工業(yè)探傷方面，除上述優(yōu)點(diǎn)外，還具有探傷速度快，輸出亮度高和探傷質(zhì)量好的特點(diǎn)。

　　5．條紋相機

　　條紋相機由內裝MCP結構的高靈敏度條紋管，光纖耦合元件，和CCD陣列構成．條紋相機是測量皮秒級瞬變光學(xué)現象的最適用、最優(yōu)越的儀器。 此外．ICCD相機還被應用于天文觀(guān)測和顯微觀(guān)查等領(lǐng)域。

　　結論

　　隨著(zhù)CCD相機的迅速發(fā)展，CCD相機給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)了巨大的利益，幫助人類(lèi)實(shí)現了很多以前沒(méi)法實(shí)現的夢(mèng)想，有效地推動(dòng)了人類(lèi)社會(huì )的進(jìn)步。我們也相信在全世界科技人員的共同努力下，CCD相機必將繼續有著(zhù)重大突破進(jìn)展。

　　參考文獻：

　　[1] 杜昊�？茖W(xué)級CCD的圖像采集系統設計與實(shí)現

　　[2] 金崢。CCD相機的控制與高速圖像數據傳輸技術(shù)

　　[3] 鄭煥東。像增強型CCD相機(ICCD)綜述

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