關(guān)于CCD相機(jī)的應(yīng)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(chǔ)和傳遞信息的半導(dǎo)體表面器件。1969年，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的w．S．Boyle和G．E．Smith在探索磁泡器件的電模擬過程中，產(chǎn)生了電荷耦合器件原理的設(shè)想，并在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。最初，CCD只是作為存儲(chǔ)器件使用，但后來依靠已經(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(guī)模集成電路工藝制作的半導(dǎo)體光電元件，它在半導(dǎo)體硅片上制有成千上萬個(gè)光敏元，產(chǎn)生與照在它上面的光強(qiáng)成正比的電荷。CCD基本構(gòu)成單元是MOS電容器，它以電荷為信號(hào)，通過對(duì)金屬電極施加時(shí)鐘脈沖信號(hào)，在半導(dǎo)體內(nèi)部形成儲(chǔ)存載流子的勢阱。當(dāng)光或電注入時(shí)，將代表信號(hào)的載流子引入勢阱，再利用時(shí)鐘脈沖的規(guī)律變化，使電極下的勢阱作相應(yīng)變化，就可以使代表輸入信號(hào)的載流子在半導(dǎo)體表面作定向運(yùn)動(dòng)，再通過對(duì)電荷的收集、放大，把信號(hào)取出。
CCD的發(fā)展與應(yīng)用
世界各科技強(qiáng)國在CCD研制、開發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域都投入了大量的人力、物力和財(cái)力，展開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(yàn)室是CCD研究的發(fā)源地，并在CCD傳感器和電荷信號(hào)處理研究方面保持優(yōu)勢。通用電器(GEC)、無線電(RCA)和柯達(dá)fKODAK)等著名公司的研究機(jī)構(gòu)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(qiáng)大的競爭對(duì)手。[1]
1974年，美國RCA公司的512×320像元面陣CCD攝像機(jī)首先問世。近年來， 隨著大規(guī)模、超大規(guī)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(jī)的性能也越來越好，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的突破，線陣CCD的像元數(shù)己從128個(gè)發(fā)展到15，000個(gè)，而且面陣CCD的像元數(shù)也高達(dá)9000×9000個(gè)，像元尺寸己做到79m以下。為滿足醫(yī)學(xué)應(yīng)用，己出現(xiàn)了像元面積為7mm2、內(nèi)含4～8萬像素的陣列、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(guī)模10000×10000的CCD已于2000年完成設(shè)計(jì)。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(jī)
CCD相機(jī)在信號(hào)處理、影像傳感和數(shù)字存儲(chǔ)等三大領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。
CCD相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
它具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)體積小，集成度高，結(jié)實(shí)耐用及功耗低。
(2)在一個(gè)較寬的波長范圍內(nèi)有著近乎完美的靈敏度。
(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(wěn)定度和線性度。
(5)由于硅陣列結(jié)構(gòu)的固定及緊湊，生成的圖像不會(huì)變形。[2]
像增強(qiáng)型CCD相機(jī)（ICCD）
ICCD的組成
日前國際上火多數(shù)ICCD相機(jī)產(chǎn)品都是由像增強(qiáng)器，光纖耦合元件和CCD陣列三個(gè)部件構(gòu)成。
像增強(qiáng)器由光電陰極，微通道板和熒光屏組成．
在ICCD相機(jī)中，光子入射到像增強(qiáng)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(zhuǎn)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(qiáng)型相機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：
選通：像增強(qiáng)器光電陰極可在5ns的時(shí)間間隔內(nèi)，完成開關(guān)動(dòng)作，因而可起到電
子開關(guān)的作用。
增益：像增強(qiáng)器的電子增益可高達(dá)10000：1．這可使微弱光電信號(hào)被放大至超過
CCD的讀出噪聲。
光纖耦合元件可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)中存在的光暈，畸變和長程串話現(xiàn)象．
國外ICED相機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀
在國外，ICCD相機(jī)被應(yīng)用于以下諸多領(lǐng)域：
1．彈上下視系統(tǒng)[3]
資料及分析結(jié)果顯示，美制巡航導(dǎo)彈的下視系統(tǒng)的成像器，是由超_二代或
三代像增強(qiáng)器，光錐和ICCD陣列耦合組成的ICCD相機(jī)。
2．星基探測系統(tǒng)
(1)火箭尾氣探測系統(tǒng)：
該探測系統(tǒng)中使用的紫外尾氣探測儀(UVPI)，由兩臺(tái)并列，共享通同一望遠(yuǎn)裝置的ICCD相機(jī)組成．該儀器己獲得近紫外／可見光火箭尾氣的高清晰圖像．該火箭尾氣探測系統(tǒng)的工作平臺(tái)，低能量大氣補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)(LACE)衛(wèi)星。
(2)空間碎片探測系統(tǒng)：
該星載探測系統(tǒng)由一小的距離選通脈沖激光器，和高增益ICCD相機(jī)組成．用于無太陽閃爍的條件下，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(jī)的一體化頭盔，使得戰(zhàn)斗機(jī)，攻擊機(jī)和直升機(jī)駕駛員能夠在微光條件下，觀察和顯示目標(biāo)．
4．x射線相機(jī)
x射線相機(jī)由x射線像增強(qiáng)器，光纖耦臺(tái)元件，和CCD陣列構(gòu)成．在醫(yī)學(xué)上，x射線相機(jī)的攝像用x射線劑量，是普通x射線攝像方法的1／lO～1／50，并可實(shí)現(xiàn)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(jī)
條紋相機(jī)由內(nèi)裝MCP結(jié)構(gòu)的高靈敏度條紋管，光纖耦合元件，和CCD陣列構(gòu)成．條紋相機(jī)是測量皮秒級(jí)瞬變光學(xué)現(xiàn)象的最適用、最優(yōu)越的儀器。 此外．ICCD相機(jī)還被應(yīng)用于天文觀測和顯微觀查等領(lǐng)域。
結(jié)論
隨著CCD相機(jī)的迅速發(fā)展，CCD相機(jī)給人類社會(huì)帶來了巨大的利益，幫助人類實(shí)現(xiàn)了很多以前沒法實(shí)現(xiàn)的夢想，有效地推動(dòng)了人類社會(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(jī)必將繼續(xù)有著重大突破進(jìn)展。
參考文獻(xiàn)：
[1] 杜昊。科學(xué)級(jí)CCD的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
[2] 金崢。CCD相機(jī)的控制與高速圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
[3] 鄭煥東。像增強(qiáng)型CCD相機(jī)(ICCD)綜述
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