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CCD

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CCD(Charge-coupled Device)是一种半导体装置,能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号。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的概述

  •   电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,简称CCD)是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。

CCD的结构和工作原理

  •   一、CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号寄存器、信号放大器、数摸转换器等项目

      1. 感光二极管(Photodiode)

      2. 并行信号寄存器(Shift Register):用于暂时储存感光后产生的电荷。

      3. 并行信号寄存器(Transfer Register):用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大。

      4. 信号放大器:用于放大微弱电信号。

      5. 数摸转换器:将放大的电信号转换成数字信号。

      二、CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层

      1. 微型镜头

      微型镜头为CCD的第一层,我们知道,数码相机成像的关键是在于其感光层,为了扩展CCD的采光率,必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定,而改由微型镜片的表面积来决定。

      2. 分色滤色片

      分色滤色片为CCD的第二层,目前有两种分色方式,一是RGB原色分色法,另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先,我们先了解一下两种分色法的概念,RGB即三原色分色法,几乎所有人类眼镜可以识别的颜色,都可以通过红、绿和蓝来组成,而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue,这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK,这是由四个通道的颜色配合而成,他们分别是青(C)、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中,CMYK更为适用,但其调节出来的颜色不及RGB的多。

      原色CCD的优势在于画质锐利,色彩真实,但缺点则是噪声问题。因此,大家可以注意,一般采用原色CCD的数码相机,在ISO感光度上多半不会超过400。相对的,补色CCD多了一个Y黄色滤色器,在色彩的分辨上比较仔细,但却牺牲了部分影像的分辨率,而在ISO值上,补色CCD可以容忍较高的感光度,一般都可设定在800以上

      3. 感光层

      感光层为CCD的第三层,这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号,并将信号传送到影像处理芯片,将影像还原。

CCD的加工工艺

  •   CCD的加工工艺有两种,一种是TTL工艺,一种是CMOS工艺,现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD,只不过是加工工艺不同,前者是毫安级的耗电量,二后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业,民用产品。

CCD的基本特性参数

  •   1、响应度(光电转换因子):k=I/Φ

      2、光谱特性:响应度与入射光频率或波长的关系。

      3、暗电流:没有光信号入射时,少数热电载流子聚集在电极下形成转移电流。

      4、分辨率:分辨图像的能力。(N*p)

      做大被测物尺寸:

      D=L/β=N*p/β

      L—最大成像尺寸

      N—光敏单元数

      P—光敏单元中心距

      β—光学系统放大倍率

      5、均匀性:各光敏单元对光强度相应的一致性。

CCD的应用

  •   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,可对被侧物体进行准确的测量、分析。

      1、传真机数码机:传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后,依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影,而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像,或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作,控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元,到达边缘最后一个单元时,电荷讯号传入放大器,转变成电位。如此周着复始,直到整个影像都转成电位,取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器

      2、CCD色彩数码机: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。

      “自动导星”技术:CCD导星装置

      缓解干扰效应: CCD多次曝光,取其平均值

      去除背景噪声: dark frame

      3、CCD在天文学中的应用:CCD应用于轨道或者道路质量的检测、CCD应用在轨道或桥梁的振动曲线的测量。

      4、CCD在交通中的应用:在铁轨对中性检测中,应用铁轨检测车,对铁轨铺设的多个验收参数进行检测,利用 CCD器件,检测铁轨中心的偏移量。而在智能路面破损采集系统中,通过装置在测量车尾的CCD相机采集实时路面破损影像;并通过车顶的GPS接收器,对采集来的每一帧破损图像进行卫星定位。最后通过破损图像处理程序对采集的路面影像进行分析处理,将裂缝、龟裂、泛油等病害图像鉴别出来,并将破损图像对应的GPS位置信息,提供给高速公路的养护部门,方便他们对破损路面进行维护。

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