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CCD 是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。CCD 上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊 CCD 上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫(huà)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD 上有許多排列整齊的電容 能感應(yīng)光線 并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD 廣泛應(yīng)用在數(shù)位攝影、天文學(xué)尤其是光學(xué)遙測(cè)技術(shù)、光學(xué)與頻譜望遠(yuǎn)鏡 和高速攝影技術(shù)如 Lucky imaging。CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和掃描儀中應(yīng)用廣泛。 CCD 功能特性 CCD 圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào) 實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：1.體積小重量輕；2.功耗小 工作電壓低 抗沖擊與震動(dòng) 性能穩(wěn)定 壽命長(zhǎng)；3.靈敏度高 噪聲低 動(dòng)態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快有自掃描功能 圖像畸變小 無(wú)殘像；5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn) 像素集成度高 尺寸精確 商 化生產(chǎn)成本低。因此 許多采用光學(xué)方法測(cè)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(nèi)部電極分成數(shù)組，組稱為一相，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定 結(jié)構(gòu)相異的CCD 可滿足不同場(chǎng)合的使用要求。線陣CCD 有單溝道和雙溝道之分 其光敏區(qū)是MOS 電容或光敏二極管結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)工藝相對(duì)較簡(jiǎn)單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成 特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡(jiǎn)單 易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，但獲取信息量小 不能處理復(fù)雜的圖像。面陣CCD 的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個(gè)方陣，并以一定的形式連接成一個(gè)器件獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。 CCD 的應(yīng)用 CCD 器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展 特別是在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。隨著CCD 技術(shù)和理論的不斷發(fā)展 CCD 技術(shù)應(yīng)用的廣度與深度必將越來(lái)越大。CCD 是使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料集成，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號(hào) 在通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成 “0”或“1”的數(shù)字信號(hào) 這種數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮和程 排列后 可由閃速存儲(chǔ)器或硬盤(pán)卡保存即收光信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電子圖像信號(hào)，可對(duì)被側(cè)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量、分析。 含格狀排列像素的CCD應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)掃瞄儀與攝影機(jī)的感光元件。其光效率可達(dá)70%(能捕捉到70%的入射光)優(yōu)于傳統(tǒng)菲林（底片）的2%因此CCD迅速獲得天文學(xué)家的大量采用。 傳真機(jī)所用的線性CCD影像經(jīng)透鏡成像于電容陣列表面后依其亮度的強(qiáng)弱在個(gè)電容單位上形成強(qiáng)弱不等的電荷。傳真機(jī)或掃瞄儀用的線性CCD次捕捉一細(xì)長(zhǎng)條的光影而數(shù)碼相機(jī)或攝影機(jī)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(qū)域。一旦完成曝光的動(dòng)作控制電路會(huì)使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個(gè)單元到達(dá)邊緣最后一個(gè)單元時(shí)電荷訊號(hào)傳入放大器轉(zhuǎn)變成電位。如此周著復(fù)始直到整個(gè)影像都轉(zhuǎn)成電位取樣并數(shù)位化之后存入內(nèi)存。儲(chǔ)存的影像可以傳送到打印機(jī)、儲(chǔ)存設(shè)備或顯示器。 在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域 CCD 的應(yīng)用更是異彩紛呈。一般的彩色數(shù)碼相機(jī)是將拜爾濾鏡（Bayer filter ）加裝在 CCD 上。 四個(gè)像素形成一個(gè)單元，一個(gè)負(fù)責(zé)過(guò)濾紅色、一個(gè)過(guò)濾藍(lán)色 兩個(gè)過(guò)濾綠色(因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色比較敏感)。結(jié)果每個(gè)像素都接收到感光訊號(hào)，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(tǒng)能將顏色分得更好，分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍(lán)、綠三種色光，由三片CCD 各自負(fù)責(zé)其中一種色光的呈像。所有的專業(yè)級(jí)數(shù)位攝影機(jī) 和一部份的半專業(yè)級(jí)數(shù)位攝影機(jī)采用 3CCD 技術(shù)。目前 超高分辨率的 CCD 芯片 相當(dāng)昂貴 配備 3CCD 的高解析靜態(tài)照相機(jī)，其價(jià)位往往超出許多專業(yè)攝攝影者的預(yù)算。因此有些高檔相機(jī)使用旋轉(zhuǎn)式色彩濾鏡 兼顧高分辨率與忠實(shí)的色彩呈現(xiàn)。這類多次成像的照相機(jī)只能用于拍攝靜態(tài)物 。 經(jīng)冷凍的 CCD 同時(shí)在 1990 年代初亦廣泛應(yīng)用于天文攝影與各種夜視裝置 而各大型天文臺(tái)亦不斷研發(fā)高像數(shù)CCD 以拍攝極高解像之天體照片。 CCD 在天文學(xué)方面有一種奇妙的應(yīng)用方式，能使固定式的望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮有如帶追蹤望遠(yuǎn)鏡的功能。方法是讓CCD 上電荷讀取和移動(dòng)的方向與天體運(yùn)行方向一致 速度也同步，以CCD 導(dǎo)星不僅能使望遠(yuǎn)鏡有效糾正追蹤誤差 還能使望遠(yuǎn)鏡記錄到比原來(lái)更大的視場(chǎng)。 一般的 CCD 大多能感應(yīng)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(jī)/照相機(jī)等。為了減低紅外線干擾 天文用CCD 常以液態(tài)氮或半導(dǎo)體冷卻 因室溫下的物體會(huì)有紅外線的黑體幅射效應(yīng)。CCD 對(duì)紅外線的敏感度造成另一種效應(yīng) 各種配備CCD 的數(shù)碼相機(jī)或錄影機(jī)若沒(méi)加裝紅外線濾鏡 很容易拍到遙控器發(fā)出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流 增進(jìn) CCD 在低照度的敏感度甚至對(duì)紫外線和可見(jiàn)光的敏感度也隨之提升 （信噪比提高）。 溫度噪聲、暗電流 （dark current）和宇宙輻射都會(huì)影響CCD 表面的像素。天文學(xué)家利用快門(mén)的開(kāi)闔 讓CCD 多次曝光 取其平均值以緩解干擾效應(yīng)。為去除背景噪聲 要先在快門(mén)關(guān) 時(shí)取影像訊號(hào)的平均值 即為“暗框” (dark frame)。然后打開(kāi)快門(mén) 取得影像后減去暗框的值 再濾除系統(tǒng)噪聲(暗點(diǎn)和亮點(diǎn)等等) 得到更清晰的細(xì)節(jié)。 天文攝影所用的冷卻CCD 照相機(jī)必須以接環(huán)固定在成像位置 防止外來(lái)光線或震動(dòng)影響；同時(shí)亦因?yàn)榇蠖鄶?shù)影像平臺(tái)生來(lái)笨重 要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像天文學(xué)家利用“ 自動(dòng)導(dǎo)星”技術(shù)。大多數(shù)的自動(dòng)導(dǎo)星系統(tǒng)使用額外的不同軸 CCD 監(jiān)測(cè)任何影像的偏移 然而也有一些系統(tǒng)將主鏡接駁在拍攝用之 CCD 相機(jī)上。以光學(xué)裝置把主鏡內(nèi)部份星光加進(jìn)相機(jī)內(nèi)另一顆CCD 導(dǎo)星裝置，能迅速偵測(cè)追蹤天體時(shí)的微小誤差并自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以矯正誤差而不需另外裝置導(dǎo)星。 應(yīng)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(hào)的傳輸介質(zhì)，激光的方向性好、光功率穩(wěn)定，因此傳感器的分辨率高，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，體積小；光電接收元件為 CCD 或 PSD，測(cè)量頻率高。目前常用的激光三角法傳感器如Micro-Epsilon 的產(chǎn)品采用激光直射法，測(cè)量精度高，線性度好。 新型微位移傳感器的結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡、光欄、聚焦透鏡、高速線陣CCD 和實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路組成。半導(dǎo)體激光器發(fā)生的發(fā)散激光經(jīng)準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直后成為平行光，經(jīng)光欄調(diào)整光束直徑后入射在被測(cè)物體表面上，其反射光經(jīng)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(dāng)被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射激光光斑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所照射的 CCD 的像元位置隨之變化；實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路產(chǎn)生時(shí)間長(zhǎng)度為 T 的斜坡信號(hào)，并在時(shí)間T 內(nèi)按次 讀取 CCD 的N 個(gè)像元的輸出視頻信號(hào)，逐一分別與參考電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)光斑照射在像元上，其輸出視頻信號(hào)超過(guò)參考電壓時(shí)，實(shí)時(shí)輸出該時(shí)刻的斜坡信號(hào)的電壓值，該電壓值與被測(cè)物體的角位移成正比。常用微位移傳感器的會(huì)聚光直射式激光三角法，最小量程較大，而且被測(cè)物體必須精確放置在激光的焦點(diǎn)上，不適用于微小角位移的測(cè)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(cè)物體的放置位置無(wú)嚴(yán)格要求，最小量程小，適用于微小角位移的測(cè)量。采用光欄調(diào)整入射到被測(cè)物體表面的平行光束的直徑，從而可以調(diào)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(shí)時(shí)信號(hào)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(hào)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(shí)間，從而提高了傳感器的測(cè)量頻率，使得新型傳感器應(yīng)用于高頻微位移的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量成為可能，將其輸出連接到示波器，能夠?qū)崟r(shí)在線測(cè)量微小角位移的動(dòng)態(tài)特性，包括階躍響應(yīng)、正弦響應(yīng)等。 該信號(hào)處理電路由時(shí) 發(fā)生電路、斜坡信號(hào)發(fā)生電路、比較器、采樣保持電路等組成。時(shí) 發(fā)生電路產(chǎn)生線陣CCD 的操作時(shí) 邏輯，驅(qū)動(dòng)CCD 在一定的時(shí)間T 內(nèi)按時(shí) 輸出視頻信號(hào)；同時(shí)，斜坡信號(hào)發(fā)生電路在時(shí)間T 內(nèi)同步生成一個(gè)-5V~+5V 的斜坡信號(hào)；比較器逐一比較。 CCD 的輸出信號(hào)與參考電壓，當(dāng)CCD 的輸出信號(hào)比參考電壓大時(shí)，輸出為正，反之，輸出為負(fù)；當(dāng)比較器的輸出為高時(shí)，使能采樣保持電路采樣該時(shí)刻的斜坡信號(hào)的電壓值并輸出保持，因此該電壓值與被測(cè)角位移成正比。斜坡信號(hào)的幅值表征了 CCD 有效像元的數(shù)目和傳感器的最大量程；CCD 的輸出頻率和有效像元數(shù)目N，采樣保持電路的采樣速度等決定了傳感器的測(cè)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(shí)時(shí)信號(hào)處理電路及高速器件及相關(guān)光學(xué)部件組成，為其適用于微小角位移的測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性度好，靈敏度高，測(cè)量頻率高，分辨率高和實(shí)時(shí)性好奠定了基礎(chǔ)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展 CCD 技術(shù)將更加完善。使用CCD 測(cè)量光強(qiáng)的測(cè)量精度會(huì)大大提高 再加上 CCD 系統(tǒng)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)直接顯示光強(qiáng)分布曲線 成像清晰、透光強(qiáng)、雜散光少等優(yōu)點(diǎn)并有效減小測(cè)量誤差 從而取代傳統(tǒng)的使用硅光電池測(cè)光強(qiáng)的方法，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)增加了新的科技內(nèi)容。 |
