简述ccd的基本工作原理，CCD的功能特性及应用

很多朋友对简述ccd的基本工作原理，CCD的功能特性及应用不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

关键词：光学、光学技术、光学材料

CCD是一种将光学图像转换成数字信号的半导体器件。植入到CCD上的微小感光物质称为像素。 CCD 包含的像素越多，其提供的图像分辨率就越高。 CCD 的工作原理与胶片类似，但它将图像像素转换为数字信号。 CCD上有许多排列整齐的电容器，可以感应光线并将图像转换成数字信号。通过外部电路的控制，小电容器可以将其携带的电荷转移到其相邻的电容器。 CCD广泛应用于数码摄影、天文学，特别是光学遥测技术、光学和光谱望远镜以及Lucky成像等高速摄影技术。 CCD广泛应用于摄像机、数码相机和扫描仪。 CCD功能特点CCD图像传感器可以直接将光信号转换为数字电信号，实现图像采集、存储、传输、处理和再现。其显着特点是： 1、体积小、重量轻； 2、功耗低，工作电压低，抗冲击、振动稳定，寿命长； 3、灵敏度高、噪声低、动态范围大； 4、响应速度快，具有自扫描功能，图像畸变小且无残像； 5、采用VLSI工艺技术生产像素，集成度高，尺寸精确，商业生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器都采用CCD器件作为光电接收器。 CCD可分为两类：线阵CCD和面阵CCD。线阵CCD通常将CCD的内部电极分成阵列，该组称为一个相位，并施加相同的时钟脉冲。所需的相数由CCD芯片的内部结构决定。不同结构的CCD可以满足不同场合的要求。线阵CCD分为单通道和双通道。感光区为MOS电容或光电二极管结构。生产工艺比较简单。它由光敏区域阵列和移位寄存器扫描电路组成。其特点是信息处理速度快、外围电路简单、易于实现实时控制，但获得的信息量较小，不能处理复杂的图像。面阵CCD的结构要复杂得多。它由许多感光区域按方阵排列并按一定形式连接成器件，以获得大量信息并能处理复杂的图像。 CCD的应用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。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度和深度必将越来越大。 CCD采用高灵敏度半导体材料集成而成。它可以根据照射在其表面的光线产生相应的电荷信号，并通过模数转换芯片将其转换为“0”或“1”的数字信号。信号经过压缩和编程后，可以保存在闪存或硬盘卡中，并将光信号转换成计算机可以识别的电子图像信号，可以对被测物体进行精确测量和分析。感动了。像素排列成网格的CCD 用作数码相机、光学扫描仪和摄像机中的感光元件。其光效率可达70%（可捕获70%的入射光），优于传统胶片（负片）的2%。因此，CCD很快就被天文学家广泛采用。传真机中使用的线性CCD图像通过透镜成像在电容器阵列的表面上，并根据其亮度的强度在每个电容器单元上形成不同强度的电荷。传真机或扫描仪中使用的线性CCD 一次捕获一条细光带，而数码相机或摄像机中使用的平面CCD 一次捕获整个图像或一个方形区域。一旦曝光完成，动作控制电路将电容器单元上的电荷转移到下一个相邻单元，当到达最后一个单元的边缘时，电荷信号被转移到放大器并转换为电势。重复此过程，直到整个图像转换为潜在样本并数字化，然后存储在内存中。

存储的图像可以传输到打印机、存储设备或显示器。 CCD在数码相机领域的应用更是丰富多彩。一般来说，彩色数码相机的CCD上安装有拜耳滤光片。四个像素组成一个单元，一个负责过滤红色，一个负责过滤蓝色，两个负责过滤绿色（因为人眼对绿色比较敏感）。结果，每个像素接收到感光信号，但颜色分辨率不如感光分辨率。由三个CCD和二向色棱镜组成的3CCD系统可以更好地分离颜色。二向色棱镜可以将入射光分析成红、蓝、绿三种颜色的光。三个CCD 中的每一个负责一种彩色光的图像呈现。所有专业级数码相机和部分半专业级数码相机均采用3CCD技术。目前超高分辨率CCD芯片价格相当昂贵。配备3CCD的高分辨率静态相机的价格往往超出了许多专业摄影师的预算。因此，一些高端相机使用旋转滤色镜来实现高分辨率和忠实的色彩呈现。这种类型的多成像相机只能用于拍摄静态物体。 20世纪90年代初，冷冻CCD还广泛应用于天文摄影和各种夜视设备。各大天文台也继续开发高分辨率CCD来拍摄极高分辨率的天体照片。 CCD 在天文学中有着奇妙的应用，它可以让固定望远镜发挥跟踪望远镜的作用。方法是使CCD上电荷读取和运动的方向与天体运动的方向一致，速度也同步。使用CCD导星不仅可以有效纠正望远镜的跟踪误差，而且可以使望远镜记录比原来更大的视场。一般的CCD大多可以感应红外线，因此衍生出红外图像、夜视仪、零照度（或接近零照度）摄像机/摄像机等。为了减少红外干扰，天文学中使用的CCD常常采用液氮或半导体来冷却，因为室温下的物体会产生红外黑体辐射效应。 CCD对红外线的敏感度会造成另一个影响。如果配备CCD的各种数码相机或录像机没有配备红外滤光片，就很容易捕捉到遥控器发出的红外线。降低温度可以减少电容器阵列上的暗电流，并提高CCD 在低照度甚至紫外光和可见光下的灵敏度（提高信噪比）。温度噪声、暗电流和宇宙辐射都会影响CCD 表面的像素。天文学家利用快门的打开和关闭来多次曝光CCD，并对结果进行平均以减轻干扰影响。为了去除背景噪声，需要首先取快门关闭时图像信号的平均值，即“暗帧”。然后打开快门，获取图像，减去暗帧的值，然后滤除系统噪声（黑点、亮点等），得到更清晰的细节。天文摄影中使用的冷却型CCD相机必须用适配器固定在成像位置，以防止外界光线或振动的影响；同时，由于大多数成像平台本质上体积庞大，天文学家使用“自动引导”技术来捕捉星系和星云等微弱天体的图像。大多数自动制导系统使用额外的离轴CCD 来监控任何图像漂移。然而，一些系统还具有连接到用于拍摄的CCD 摄像机的主镜。利用光学装置将主镜中的部分星光添加到相机中的另一个CCD导引装置中，可以快速检测跟踪天体的微小误差并自动调整驱动电机以纠正误差，而无需安装额外的引导星。采用激光三角测量法的微位移传感器是一种新型的微位移传感器。它采用激光作为位移信号的传输介质。激光器具有良好的方向性和稳定的光功率。因此，该传感器分辨率高、测量精度高、稳定性好、体积小。小的；光电接收元件为CCD或PSD，测量频率高。

目前常用的激光三角测量传感器如Micro-Epsilon产品均采用激光直接照射方式，测量精度高，线性度好。新型微位移传感器的结构由半导体激光器、准直透镜、光圈、聚焦透镜、高速线阵CCD和实时信号处理电路组成。半导体激光器产生的发散激光经准直光路准直后成为平行光。光束直径通过光阑调节后入射到被测物体表面。反射光经聚焦光路聚焦成直径小于CCD像素尺寸的光斑。在线阵CCD上；当被测物体旋转时，反射的激光光斑发生偏转，被照射的CCD的像素位置也随之变化；实时信号处理电路产生时间长度为T的斜坡信号，并在T时间内按信号读取CCD的N个像素的输出视频信号，并与参考电压一一比较。当光点照射到像素上，其输出视频信号超过参考电压时，实时输出该时刻的斜坡信号的电压值。该电压值与被测物体的角位移成正比。常用微位移传感器的聚光直接激光三角测量法最小量程较大，且被测物体必须准确放置在激光焦点处，不适合小角位移的测量；新型微位移传感器采用平行光倾斜激光。三角法，由于采用平行光，对被测物体的放置没有严格要求，最小测量范围小，适合小角位移的测量。光阑用于调节入射到被测物体表面的平行光束的直径，从而可以调节照射在CCD上的光斑直径。光斑的直径与平行光束的直径成反比。新型微位移传感器采用实时信号处理电路取代了通常激光三角测量微位移传感器由DSP、外围器件和软件组成的后信号处理电路，并采用高速CCD来增加传感器光电接收装置的最大采样频率。处理时间缩短，从而提高了传感器的测量频率，使得新型传感器用于高频微位移的动态实时测量成为可能。通过将其输出连接到示波器，可以实时在线测量小角位移（包括阶跃）的动态特性。信号处理电路由时间产生电路、斜率信号产生电路、比较器、采样保持电路等组成。时序产生电路产生线阵CCD的操作逻辑，驱动CCD在一定时间T内按时输出视频信号；同时，斜坡信号产生电路在时间T内同步产生-5V+5V斜坡信号。比较器一一比较。 CCD的输出信号和参考电压。当CCD的输出信号大于参考电压时，输出为正，否则输出为负；当比较器的输出为高电平时，采样保持电路启动，对此时的斜率信号进行采样。电压值由输出维持，因此电压值与测量的角位移成正比。斜坡信号的幅度代表CCD的有效像素数和传感器的最大范围； CCD的输出频率、有效像素数N、采样保持电路的采样速度等决定了传感器的测量频率； CCD像素的大小决定了传感器的分辨率。基于线阵CCD的微角位移传感器采用平行光倾斜激光三角测量原理。它由高速线阵CCD、实时信号处理电路、高速器件及相关光学元件组成。适用于微小角位移的测量，结构简单。良好的线性度、高灵敏度、高测量频率、高分辨率和良好的实时性能奠定了基础。随着电子技术的发展，CCD技术将更加完善。

使用CCD测量光强的测量精度将会大大提高。另外，CCD系统可以通过计算机直接显示光强分布曲线。具有成像清晰、透光性强、杂散光少等优点，有效降低测量误差，从而取代传统使用的硅光伏电池。测量光强的方法给传统实验增添了新的科技含量。

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