信息光学结课论文

信息光学原理结课论文

学院：物理与电子工程学院

专业：电子科学与技术

学号：********** xx

姓名：xxx

光学器件CCD发展及应用

【摘要】：CCD英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：耦合元件。可以称为CCD,也叫图像控制器。CCD是一种，能够把影像转化为。上植入的微小光敏物质称作（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。此外，CCD还是蜂群崩溃混乱症的简称。

【关键词】：CCD 光学器件电压检测应用

CCD广泛应用在数码摄影、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，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。

CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（GeorgeE. Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge "Bubble" Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中快捷半导体的产品领先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

以上为CCD发展历程：

HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)传感器[1] 是在N型基板，P型，N+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是SONY独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积

层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。另外，在N型基板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句换说，也提高了感度。在80年代初期，索尼将其领先使用在可变速电子快门产品中，在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图象。

在摄影机的光学镜头的光圈F值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多，使得入射到CCD组件的光无法百分之百的被聚焦到感测器上，而CCD 感测器的感度将会降低。1998年索尼公司为改善这个问题，将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化，让会造成垂直CCD画面杂讯的讯号不会进入，使SMEAR特性改善。

比可视光波长更长的红外线光，也可以在半导体硅芯片内做光电变换。可是至当前为止，CCD无法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到感测器内。为此，索尼在1998年新开发的“EXVIEW HAD CCD”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光，有效转换成为映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。利用“EXVIEWHAD CCD”组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直CCD 部分的SMEAR成分，也可被收集到传感器内，所以影响画质的杂讯也会大幅降低。

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，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，商品化生产成本低。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，每组称为一相，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（线阵CCD如右图所示）。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。

红外感应：其实在CCD中，本来就对红外光有感应，能看到红外线，例如：使用黑白，在关掉明亮电灯的情况下，开启红外灯，马上可以看到影像。这是由于黑白本来就没颜色，但在现实使用的彩色CCD多数看不到红外线。其实，彩色CCD也能识别和感应到红外线，但会干扰到D.S.P （影像处理主芯片）的运算以导致”偏色”，因此，在彩色CCD中为了让其不“偏色”，在彩色CCD 上头黏的那片滤光片，让它不能接收红外线。

数码相机：一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayer filter）加装在CCD 上。每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。

四十年来，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序排列后，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，可对被测物体进行准确的测量、分析。

参考文献：

[1]贾光明,张贵忠,向望华. 用全固态激光器和一维CCD 测定微粒粒径[J].光

子学报

[2]石成英,朱满林,姜勤波.CCD激光微位移测量系统的测量头设计[J]. 激光

[3]石成英，姜勤波，王少龙. CCD 激光微位移测量头在应用中的问题及对策[J].激光杂志

[4]赵育良, 张忠民. 基于CCD 激光干涉微位移测量系统准确度分析[J].传感

器技术

[5]赵育良,许兆林,李开端. 基于CCD 的激光微位移测量系统研究[J].激光技

术

[6]邹万军,朱国力,吴学兵. 基于面阵CCD 的激光角度测量系统的研究[J]