關于CCD相機的應用的論文
引言
CCD(Charge Couple Device)中文名為“電荷耦合器件”，是一種以電荷包的形式存儲和傳遞信息的半導體表面器件。1969年，美國貝爾電話實驗室的w．S．Boyle和G．E．Smith在探索磁泡器件的電模擬過程中，產生了電荷耦合器件原理的設想，并在實驗中得到驗證。最初，CCD只是作為存儲器件使用，但后來依靠已經成熟的MOS集成電路工藝，CCD技術得到迅速的發(fā)展。
CCD的工作原理
CCD是一種大規(guī)模集成電路工藝制作的半導體光電元件，它在半導體硅片上制有成千上萬個光敏元，產生與照在它上面的光強成正比的電荷。CCD基本構成單元是MOS電容器，它以電荷為信號，通過對金屬電極施加時鐘脈沖信號，在半導體內部形成儲存載流子的勢阱。當光或電注入時，將代表信號的載流子引入勢阱，再利用時鐘脈沖的規(guī)律變化，使電極下的勢阱作相應變化，就可以使代表輸入信號的載流子在半導體表面作定向運動，再通過對電荷的收集、放大，把信號取出。
CCD的發(fā)展與應用
世界各科技強國在CCD研制、開發(fā)及應用領域都投入了大量的人力、物力和財力，展開了廣泛而深入的工作。美國是研究CCD技術最早的國家，在該領域一直處于領先地位。Bell實驗室是CCD研究的發(fā)源地，并在CCD傳感器和電荷信號處理研究方面保持優(yōu)勢。通用電器(GEC)、無線電(RCA)和柯達fKODAK)等著名公司的研究機構在面向軍、民用及工藝研究居于領先地位。日本是CCD生產大國，產量居世界之首。索尼(SONY)、NEC等公司的CCD研發(fā)很快，已成為美國強大的競爭對手。[1]
1974年，美國RCA公司的512×320像元面陣CCD攝像機首先問世。近年來， 隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，CCD研制水平不斷提高，陣列元素不斷增加，CCD攝像機的性能也越來越好，并且CCD芯片的成品率不斷提高，器件尺寸不斷縮小。CCD圖像傳感器的像素高密度集成化己有了顯著的突破，線陣CCD的像元數(shù)己從128個發(fā)展到15，000個，而且面陣CCD的像元數(shù)也高達9000×9000個，像元尺寸己做到79m以下。為滿足醫(yī)學應用，己出現(xiàn)了像元面積為7mm2、內含4～8萬像素的陣列、用于胃鏡和腸鏡中的小面積成像器件。美國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、像素規(guī)模10000×10000的CCD已于2000年完成設計。日
本索尼、夏普等公司制作的CCD器件的最小像素尺寸縮小到2．5／．tm×2。50m。
CCD相機
CCD相機在信號處理、影像傳感和數(shù)字存儲等三大領域中應用廣泛。
CCD相機的優(yōu)點
它具有以下優(yōu)點：
(1)體積小，集成度高，結實耐用及功耗低。
(2)在一個較寬的波長范圍內有著近乎完美的靈敏度。
(3)工作條件是從低照度到非常高照度都能使用。
(4)有很好的穩(wěn)定度和線性度。
(5)由于硅陣列結構的固定及緊湊，生成的圖像不會變形。[2]
像增強型CCD相機（ICCD）
ICCD的組成
日前國際上火多數(shù)ICCD相機產品都是由像增強器，光纖耦合元件和CCD陣列三個部件構成。
像增強器由光電陰極，微通道板和熒光屏組成．
在ICCD相機中，光子入射到像增強器的光電陰極，發(fā)射出的電子經微通道板倍增后，經熒光屏轉換成光子。輸出的增亮圖像經光纖面板或光錐耦合CCD陣列上。CCD陣列探測并將圖像讀出。
ICCD的優(yōu)點
像增強型相機有以下優(yōu)點：
選通：像增強器光電陰極可在5ns的時間間隔內，完成開關動作，因而可起到電
子開關的作用。
增益：像增強器的電子增益可高達10000：1．這可使微弱光電信號被放大至超過
CCD的讀出噪聲。
光纖耦合元件可實現(xiàn)從一發(fā)光平面表面到CCD陣列表面，高效的光學耦合．光纖耦合形式的耦合效率一般為：50～60％(透鏡系統(tǒng)約為10％)．光纖耦合不限于l：1的'傳像，光錐可提供5：l的縮放比．
1：1光纖耦合的另一個優(yōu)點是，不會產生透鏡系統(tǒng)中存在的光暈，畸變和長程串話現(xiàn)象．
國外ICED相機應用現(xiàn)狀
在國外，ICCD相機被應用于以下諸多領域：
1．彈上下視系統(tǒng)[3]
資料及分析結果顯示，美制巡航導彈的下視系統(tǒng)的成像器，是由超_二代或
三代像增強器，光錐和ICCD陣列耦合組成的ICCD相機。
2．星基探測系統(tǒng)
(1)火箭尾氣探測系統(tǒng)：
該探測系統(tǒng)中使用的紫外尾氣探測儀(UVPI)，由兩臺并列，共享通同一望遠裝置的ICCD相機組成．該儀器己獲得近紫外／可見光火箭尾氣的高清晰圖像．該火箭尾氣探測系統(tǒng)的工作平臺，低能量大氣補償實驗(LACE)衛(wèi)星。
(2)空間碎片探測系統(tǒng)：
該星載探測系統(tǒng)由一小的距離選通脈沖激光器，和高增益ICCD相機組成．用于無太陽閃爍的條件下，小的空間碎片的在軌探測。在約800m的距離上，可探測到lmm的空間碎片。
3．頭盔顯示器
安裝有ICCD相機的一體化頭盔，使得戰(zhàn)斗機，攻擊機和直升機駕駛員能夠在微光條件下，觀察和顯示目標．
4．x射線相機
x射線相機由x射線像增強器，光纖耦臺元件，和CCD陣列構成．在醫(yī)學上，x射線相機的攝像用x射線劑量，是普通x射線攝像方法的1／lO～1／50，并可實現(xiàn)遙測診斷：在工業(yè)探傷方面，除上述優(yōu)點外，還具有探傷速度快，輸出亮度高和探傷質量好的特點。
5．條紋相機
條紋相機由內裝MCP結構的高靈敏度條紋管，光纖耦合元件，和CCD陣列構成．條紋相機是測量皮秒級瞬變光學現(xiàn)象的最適用、最優(yōu)越的儀器。 此外．ICCD相機還被應用于天文觀測和顯微觀查等領域。
結論
隨著CCD相機的迅速發(fā)展，CCD相機給人類社會帶來了巨大的利益，幫助人類實現(xiàn)了很多以前沒法實現(xiàn)的夢想，有效地推動了人類社會的進步。我們也相信在全世界科技人員的共同努力下，CCD相機必將繼續(xù)有著重大突破進展。
參考文獻：
[1] 杜昊。科學級CCD的圖像采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
[2] 金崢。CCD相機的控制與高速圖像數(shù)據傳輸技術
[3] 鄭煥東。像增強型CCD相機(ICCD)綜述
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