CCD相机的应用

CCD相机的应用

引言

CCD(Charge Couple Device)中文名为“电荷耦合器件”，是一种以电荷包的形式存储和传递信息的半导体表面器件。1969年，美国贝尔电话实验室的w．S．Boyle和G．E．Smith在探索磁泡器件的电模拟过程中，产生了电荷耦合器件原理的设想，并在实验中得到验证。最初，CCD只是作为存储器件使用，但后来依靠已经成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得到迅速的发展。

CCD的工作原理

CCD是一种大规模集成电路工艺制作的半导体光电元件，它在半导体硅片上制有成千上万个光敏元，产生与照在它上面的光强成正比的电荷。CCD基本构成单元是MOS电容器，它以电荷为信号，通过对金属电极施加时钟脉冲信号，在半导体内部形成储存载流子的势阱。当光或电注入时，将代表信号的载流子引入势阱，再利用时钟脉冲的规律变化，使电极下的势阱作相应变化，就可以使代表输入信号的载流子在半导体表面作定向运动，再通过对电荷的收集、放大，把信号取出。

CCD的发展与应用

世界各科技强国在CCD研制、开发及应用领域都投入了大量的人力、物力和财力，展开了广泛而深入的工作。美国是研究CCD技术最早的国家，在该领域一直处于领先地位。Bell实验室是CCD研究的发源地，并在CCD传感器和电荷信号处理研究方面保持优势。通用电器(GEC)、无线电(RCA)和柯达fKODAK)等著名公司的研究机构在面向军、民用及工艺研究居于领先地位。日本是CCD生产大国，产量居世界之首。索尼(SONY)、NEC等公司的CCD研发很快，已成为美国强大的竞争对手。[1]

1974年，美国RCA公司的512×320像元面阵CCD摄像机首先问世。近年来， 随着大规模、超大规模集成电路工艺的发展，CCD研制水平不断提高，阵列元素不断增加，CCD摄像机的性能也越来越好，并且CCD芯片的成品率不断提高，器件尺寸不断缩小。CCD图像传感器的像素高密度集成化己有了显著的突破，线阵CCD的像元数己从128个发展到15，000个，而且面阵CCD的像元数也高达9000×9000个，像元尺寸己做到79m以下。为满足医学应用，己出现了像元面积为7mm2、内含4～8万像素的阵列、用于胃镜和肠镜中的小面积成像器件。美国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、像素规模10000×10000的CCD已于2000年完成设计。日

本索尼、夏普等公司制作的CCD器件的最小像素尺寸缩小到2．5／．tm×2。50m。

CCD相机

CCD相机在信号处理、影像传感和数字存储等三大领域中应用广泛。

CCD相机的优点

它具有以下优点：

(1)体积小，集成度高，结实耐用及功耗低。

(2)在一个较宽的波长范围内有着近乎完美的灵敏度。

(3)工作条件是从低照度到非常高照度都能使用。

(4)有很好的稳定度和线性度。

(5)由于硅阵列结构的固定及紧凑，生成的图像不会变形。[2]

像增强型CCD相机（ICCD）

ICCD的组成

日前国际上火多数ICCD相机产品都是由像增强器，光纤耦合元件和CCD阵列三个部件构成。

像增强器由光电阴极，微通道板和荧光屏组成．

在ICCD相机中，光子入射到像增强器的光电阴极，发射出的电子经微通道板倍增后，经荧光屏转换成光子。输出的增亮图像经光纤面板或光锥耦合CCD阵列上。CCD阵列探测并将图像读出。

ICCD的优点

像增强型相机有以下优点：

选通：像增强器光电阴极可在5ns的时间间隔内，完成开关动作，因而可起到电

子开关的作用。

增益：像增强器的电子增益可高达10000：1．这可使微弱光电信号被放大至超过

CCD的读出噪声。

光纤耦合元件可实现从一发光平面表面到CCD阵列表面，高效的光学耦合．光纤耦合形式的耦合效率一般为：50～60％(透镜系统约为10％)．光纤耦合不限于l：1的传像，光锥可提供5：l的缩放比．

1：1光纤耦合的另一个优点是，不会产生透镜系统中存在的光晕，畸变和长程串话现象．

国外ICED相机应用现状

在国外，ICCD相机被应用于以下诸多领域：

1．弹上下视系统[3]

资料及分析结果显示，美制巡航导弹的下视系统的成像器，是由超_二代或

三代像增强器，光锥和ICCD阵列耦合组成的ICCD相机。

2．星基探测系统

(1)火箭尾气探测系统：

该探测系统中使用的紫外尾气探测仪(UVPI)，由两台并列，共享通同一望远装置的ICCD相机组成．该仪器己获得近紫外／可见光火箭尾气的高清晰图像．该火箭尾气探测系统的工作平台，低能量大气补偿实验(LACE)卫星。

(2)空间碎片探测系统：

该星载探测系统由一小的距离选通脉冲激光器，和高增益ICCD相机组成．用于无太阳闪烁的条件下，小的空间碎片的在轨探测。在约800m的距离上，可探测到lmm的空间碎片。

3．头盔显示器

安装有ICCD相机的一体化头盔，使得战斗机，攻击机和直升机驾驶员能够在微光条件下，观察和显示目标．

4．x射线相机

x射线相机由x射线像增强器，光纤耦台元件，和CCD阵列构成．在医学上，x射线相机的摄像用x射线剂量，是普通x射线摄像方法的1／lO～1／50，并可实现遥测诊断：在工业探伤方面，除上述优点外，还具有探伤速度快，输出亮度高和探伤质量好的特点。

5．条纹相机

条纹相机由内装MCP结构的高灵敏度条纹管，光纤耦合元件，和CCD阵列构成．条纹相机是测量皮秒级瞬变光学现象的最适用、最优越的仪器。 此外．ICCD相机还被应用于天文观测和显微观查等领域。

结论

随着CCD相机的迅速发展，CCD相机给人类社会带来了巨大的利益，帮助人类实现了很多以前没法实现的梦想，有效地推动了人类社会的进步。我们也相信在全世界科技人员的共同努力下，CCD相机必将继续有着重大突破进展。

参考文献：

[1] 杜昊。科学级CCD的图像采集系统设计与实现

[2] 金峥。CCD相机的控制与高速图像数据传输技术

[3] 郑焕东。像增强型CCD相机(ICCD)综述