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0431-81702023
光學工程
CCD的功能、特性

CCD是一種半導體器件,能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD上植入的微小光敏物質稱作像素(Pixel)。一塊CCD上包含的像素數越多,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換成數字信號。CCD上有許多排列整齊的電容能感應光線并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。CCD廣泛應用在數位攝影、天文學尤其是光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡和高速攝影技術如Luckyimaging。CCD在攝像機、數碼相機和掃描儀中應用廣泛。

CCD功能特性

CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為數字電信號實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。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定壽命長;3.靈敏度高噪聲低動態范圍大;4.響應速度快有自掃描功能圖像畸變小無殘像;5.應用超大規模集成電路工藝技術生產像素集成度高尺寸精確商化生產成本低。因此許多采用光學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內部電極分成數組,組稱為一相,并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數由CCD芯片內部結構決定結構相異的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是MOS電容或光敏二極管結構生產工藝相對較簡單。它由光敏區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實時控制,但獲取信息量小不能處理復雜的圖像。面陣CCD的結構要復雜得多,它由很多光敏區排列成一個方陣,并以一定的形式連接成一個器件獲取信息量大,能處理復雜的圖像。

CCD的應用

CCD器件及其應用技術的研究取得了驚人的進展特別是在圖像傳感和非接觸測量領域的發展更為迅速。隨著CCD技術和理論的不斷發展CCD技術應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體材料集成,它能夠根據照射在其面上的光線產生相應的電荷信號在通過模數轉換器芯片轉換成“0”或“1”的數字信號這種數字信號經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換成計算機能識別的電子圖像信號,可對被側物體進行準確的測量、分析。

含格狀排列像素的CCD應用于數碼相機、光學掃瞄儀與攝影機的感光元件。其光效率可達70%(能捕捉到70%的入射光)優于傳統菲林(底片)的2%因此CCD迅速獲得天文學家的大量采用。

傳真機所用的線性CCD影像經透鏡成像于電容陣列表面后依其亮度的強弱在個電容單位上形成強弱不等的電荷。傳真機或掃瞄儀用的線性CCD次捕捉一細長條的光影而數碼相機或攝影機所用的平面式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邊緣最后一個單元時電荷訊號傳入放大器轉變成電位。如此周著復始直到整個影像都轉成電位取樣并數位化之后存入內存。儲存的影像可以傳送到打印機、儲存設備或顯示器。

在數碼相機領域CCD的應用更是異彩紛呈。一般的彩色數碼相機是將拜爾濾鏡(Bayerfilter)加裝在CCD上。四個像素形成一個單元,一個負責過濾紅色、一個過濾藍色兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結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系統能將顏色分得更好,分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光,由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業級數位攝影機和一部份的半專業級數位攝影機采用3CCD技術。目前超高分辨率的CCD芯片相當昂貴配備3CCD的高解析靜態照相機,其價位往往超出許多專業攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡兼顧高分辨率與忠實的色彩呈現。這類多次成像的照相機只能用于拍攝靜態物。

經冷凍的CCD同時在1990年代初亦廣泛應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高像數CCD以拍攝極高解像之天體照片。

CCD在天文學方面有一種奇妙的應用方式,能使固定式的望遠鏡發揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。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導星不僅能使望遠鏡有效糾正追蹤誤差還能使望遠鏡記錄到比原來更大的視場。

一般的CCD大多能感應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/照相機等。為了減低紅外線干擾天文用CCD常以液態氮或半導體冷卻因室溫下的物體會有紅外線的黑體幅射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應各種配備CCD的數碼相機或錄影機若沒加裝紅外線濾鏡很容易拍到遙控器發出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流增進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(darkcurrent)和宇宙輻射都會影響CCD表面的像素。天文學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。為去除背景噪聲要先在快門關時取影像訊號的平均值即為“暗框”(darkframe)。然后打開快門取得影像后減去暗框的值再濾除系統噪聲(暗點和亮點等等)得到更清晰的細節。

天文攝影所用的冷卻CCD照相機必須以接環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家利用“自動導星”技術。大多數的自動導星系統使用額外的不同軸CCD監測任何影像的偏移然而也有一些系統將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學裝置把主鏡內部份星光加進相機內另一顆CCD導星裝置,能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差并自動調整驅動馬達以矯正誤差而不需另外裝置導星。

應用

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,激光的方向性好、光功率穩定,因此傳感器的分辨率高,測量精度高,穩定性好,體積小;光電接收元件為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構由半導體激光器、準直透鏡、光欄、聚焦透鏡、高速線陣CCD和實時信號處理電路組成。半導體激光器發生的發散激光經準直光路準直后成為平行光,經光欄調整光束直徑后入射在被測物體表面上,其反射光經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;當被測物體轉動時,反射激光光斑發生偏轉,所照射的CCD的像元位置隨之變化;實時信號處理電路產生時間長度為T的斜坡信號,并在時間T內按次讀取CCD的N個像元的輸出視頻信號,逐一分別與參考電壓進行實時比較,當光斑照射在像元上,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格要求,最小量程小,適用于微小角位移的測量。采用光欄調整入射到被測物體表面的平行光束的直徑,從而可以調整照射到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,使得新型傳感器應用于高頻微位移的動態實時測量成為可能,將其輸出連接到示波器,能夠實時在線測量微小角位移的動態特性,包括階躍響應、正弦響應等。

該信號處理電路由時發生電路、斜坡信號發生電路、比較器、采樣保持電路等組成。時發生電路產生線陣CCD的操作時邏輯,驅動CCD在一定的時間T內按時輸出視頻信號;同時,斜坡信號發生電路在時間T內同步生成一個-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CCD的輸出信號比參考電壓大時,輸出為正,反之,輸出為負;當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有效像元的數目和傳感器的最大量程;CCD的輸出頻率和有效像元數目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光學部件組成,為其適用于微小角位移的測量,結構簡單,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。隨著電子技術的發展CCD技術將更加完善。使用CCD測量光強的測量精度會大大提高再加上CCD系統可以通過計算機直接顯示光強分布曲線成像清晰、透光強、雜散光少等優點并有效減小測量誤差從而取代傳統的使用硅光電池測光強的方法,為傳統實驗增加了新的科技內容。


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