CCD在望远镜以及相机等仪器中的应用-广州大学天体物理中心

    

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CCD在望远镜以及相机等仪器中的应用

2017年05月27日 15:48  点击:[]

 CCD,英文全称:Charge-coupled Device,中文全称:电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件,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上有许多排列整齐的电容,能感应光线,并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

常用ccd尺寸对比表

[1]

 CCD发展史 CCD是于1969年由美国贝尔实验室(Bell Labs)的维拉·波义耳(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯(George E. Smith)所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后,波义耳和史密斯得出一种装置,他们命名为“电荷‘气泡’元件”(Charge "Bubble" Devices)。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷,便尝试用来做为记忆装置,当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷,而组成数位影像。 到了70年代,贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像,CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明,着手进行进一步的研究,包括快捷半导体(Fairchild Semiconductor)、美国无线电公司(RCA)和德州仪器(Texas Instruments)。其中快捷半导体的产品率先上市,于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

发明者荣誉

 2006年元月,波义耳和史密斯获颁电机电子工程师学会(IEEE)颁发的Charles Stark Draper奖章,以表彰他们对CCD发展的贡献。

 北京时间2009年10月6日,2009年诺贝尔物理学奖揭晓,瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予一名中国香港科学家高锟(Charles K. Kao)和两名科学家维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯(George E. Smith)。科学家Charles K. Kao 因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就” 而获奖,科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器CCD” 获此殊荣。

CCD简介

 CCD广泛应用在数码摄影、天文学,尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜,和高速摄影技术如Lucky imaging。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功能特性

 CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号,电流信号经过放大和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是:1.体积小重量轻;2.功耗小,工作电压低,抗冲击与震动,性能稳定,寿命长;3.灵敏度高,噪声低,动态范围大;4.响应速度快,有自扫描功能,图像畸变小,无残像;5.应用超大规模集成电路工艺技术生产,像素集成度高,尺寸精确,商品化生产成本低。因此,许多采用光学方法测量外径的仪器,把CCD器件作为光电接收器。

CCD工作原理

 CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组,每组称为一相,并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定,结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分,其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构,生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成,特点是处理信息速度快,外围电路简单,易实现实时控制,但获取信息量小,不能处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。面阵CCD的结构要复杂得多,它由很多光敏区排列成一个方阵,并以一定的形式连接成一个器件,获取信息量大,能处理复杂的图像。

应用

 四十年来,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的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展,CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。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,可对被测物体进行准确的测量、分析。

 含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光),优于传统菲林(底片)的2%,因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

 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。如此周著复始,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。

 在数码相机领域,CCD的应用更是异彩纷呈。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。

 用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好,分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光,由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机,和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。目前,超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵,配备3CCD的高解析静态照相机,其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜,兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物品。

 经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置,而各大型天文台亦不断研发高像数CCD以拍摄极高解像之天体照片。

 CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式,能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致,速度也同步,以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差,还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

 一般的CCD大多能感应红外线,所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰,天文用CCD常以液态氮或半导体冷却,因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应,各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜,很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流,增进CCD在低照度的敏感度,甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升(信噪比提高)。

 温度噪声、暗电流(dark current)和宇宙辐射都会影响CCD表面的像素。天文学家利用快门的开阖,让CCD多次曝光,取其平均值以缓解干扰效应。为去除背景噪声,要先在快门关闭时取影像讯号的平均值,即为"暗框"(dark frame)。然后打开快门,取得影像后减去暗框的值,再滤除系统噪声(暗点和亮点等等),得到更清晰的细节。

 天文摄影所用的冷却CCD照相机必须以接环固定在成像位置,防止外来光线或震动影响;同时亦因为大多数影像平台生来笨重,要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像,天文学家利用"自动导星"技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同轴CCD监测任何影像的偏移,然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之CCD相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星装置,能迅速侦测追踪天体时的微小误差,并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。

  

CCD为什么能看到红外线

 其实在CCD中,本来就对红外光有感应,能看到红外线,例如:使用黑白摄像机,在关掉明亮电灯的情况下,开启红外灯,马上可以看到影像。这是由于黑白摄像机本来就没颜色,但在现实使用的彩色CCD多数看不到红外线。其实,彩色CCD也能识别和感应到红外线,但会干扰到D.S.P (影像处理主芯片)的运算以导致”偏色”,因此,在彩色CCD中为了让其不“偏色”,在彩色CCD上头黏的那片滤光片,让它不能接收红外线。

 从380nm-645nm 穿透率是约93%,刚好就是可见光的范围(紫-靛-蓝-绿-黄-橙-红),就是彩虹的颜色嘛! 600多nm是红色光,在它往右以”外”,就叫”红外线”,是”红色以外的光” 不是红色的光,因为眼睛已经看不到了,再来,380nm左右我们眼睛看到的是紫色,在380nm往左以”外”,就叫”紫外线”.

CCD彩色数码相机

 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。

 用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好,分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光,由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机,和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。

 截至2005年,超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵,配备3CCD的高解析静态照相机,其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜,兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。

 CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。

 CCD在摄像机里是一个极其重要的部件,它起到将光线转换成电信号的作用,类似于人的眼睛,因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。

 衡量CCD好坏的指标很多,有像素数量,CCD尺寸[2],灵敏度,信噪比等,其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。像素数是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成,每个点就是一个像素。显然,像素数越多,画面就会越清晰,如果CCD没有足够的像素的话,拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响,因此,理论上CCD的像素数量应该越多越好。但CCD像素数的增加会使制造成本以及成品率下降,而且在现行电视标准下,像素数增加到某一数量后,再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显,因此,一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。

 单CCD摄像机是指摄像机里只有一片CCD并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换,其中色度信号是用CCD上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。由于一片CCD同时完成亮度信号和色度信号的转换,因此难免两全,使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平的要求。为了解决这个问题,便出现了3CCD摄像机。3CCD,顾名思义,就是一台摄像机使用了3片CCD。我们知道,光线如果通过一种特殊的棱镜后,会被分为红,绿,蓝三种颜色,而这三种颜色就是我们电视使用的三基色,通过这三基色,就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。如果分别用一片CCD接受每一种颜色并转换为电信号,然后经过电路处理后产生图像信号,这样,就构成了一个3CCD系统。

 和单CCD相比,由于3CCD分别用3个CCD转换红,绿,蓝信号,拍摄出来的图像从彩色还原上要比单CCD来的自然,亮度以及清晰度也比单CCD好。但由于使用了三片CCD,3CCD摄像机的价格要比单CCD贵很多。

 四色CCD是索尼公司在2003年推出的一种CCD新技术。四色即红 绿 蓝 品红(RGBE)相对与传统的三色(红 绿 蓝),四色CCD的色彩还原错误率进一步降低。因而使色彩还原更逼真。首款采用四色CCD的数码相机是SONY DSC—F828

 数码相机规格表中的CCD一栏经常写着“1/2.7英寸CCD”等。这里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸,实际上就是CCD对角线的长度。

 现有的数码相机一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。CCD是受光元件(像素)的集合体,接收透过镜头的光并将其转换为电信号。在像素数一样的情况下,CCD尺寸越大单位像素就越大。这样,单位像素可以收集更多的光线,因此,理论上可以说有利于提高画质。

 但是,数码相机画质的好坏不仅是由CCD决定的。镜头以及通过CCD输出的电信号形成图像的电路的性能等也能够影响到相机的画质。所谓的“大尺寸CCD=高画质”是不正确的。例如,虽然1/2.7英寸比1/1.8英寸尺寸小,但配备1/2.7英寸CCD的数码相机并没有受到画质不好的批评。

 现在,袖珍数码相机日趋小巧轻便,出于设计上的考虑,其中大多采用1/2.7英寸的小型CCD。

 顺便说一句,1/2.7英寸的“型”有时也写作“inch”,不过,在这里不是普通的“1英寸=25.4mm”。由于结合了CCD亮相前摄像机上使用的摄像管和显示方式,因此,习惯上采用比较特殊的尺寸。1/2.7英寸为6.6mm,1/1.8英寸约为9mm。

CCD摄像机主要技术参数解释

 1. 什么是CCD摄像机?

 CCD是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写,它是一种半导体成像器件,因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。

 2. CCD摄像机的工作方式

 被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上,CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷,各个像素积累的电荷在视频时序的控制下,逐点外移,经滤波、放大处理后,形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

 3. 分辨率的选择

 评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率,其单位为线对,即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600,彩色为380-480,其数值越大成像越清晰。一般的监视场合,用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合,用600线的摄像机能得到更清晰的图像。

 4. 成像灵敏度

 通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度,黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯),彩色摄像机多在1Lux以上。0.1Lux的摄像机用于普通的监视场合;在夜间使用或环境光线较弱时,推荐使用0.02Lux的摄像机。与近红外灯配合使用时,也必须使用低照度的摄像机。另外摄像的灵敏度还与镜头有关,0.97Lux/F0.75相当于2.5Lux/F1.2相当于3.4Lux/F1.参考环境照度: 夏日阳光下 100000Lux 阴天室外 10000Lux 电视台演播室 1000Lux 距60W台灯60cm桌面 300Lux 室内日光灯 100Lux 黄昏室内 10Lux 20cm处烛光 10-15Lux 夜间路灯 0.1Lux

 5. 电子快门

 电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间,摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式,可根据环境的亮暗自动调节快门时间,得到清晰的图像。有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间,以适应某些特殊应用场合。

 6. 外同步与外触发

 外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步,它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了实现外同步,需要给摄像机输入一个复合同步信号(C-sync)或复合视频信号。外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像,要实现这种功能,必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。

 7. 光谱响应特性

 CCD器件由硅材料制成,对近红外比较敏感,光谱响应可延伸至1.0um左右。其响应峰值为绿光(550nm),分布曲线如右图所示。夜间隐蔽监视时,可以用近红外灯照明,人眼看不清环境情况,在监视器上却可以清晰成像。由于CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极,所以CCD对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条,所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。

 8. CCD芯片的尺寸

 CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等,成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。在相同的光学镜头下,成像尺寸越大,视场角越大。芯片规格 成像面大小(宽X高) 对角线 1/2 6.4x4.8mm 8mm 1/3 4.8x3.6mm 6mm。

(摘自维基百科)


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