ccd技术的发展及在近代物理实验(密立根实验)中的应用

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1、CCDCCD 技术的发展及在近代物理实验技术的发展及在近代物理实验 （密立根实验）中的应用（密立根实验）中的应用院 （系）： 理 工 学 院 专 业： 物 理 学 年 级： 2010 级 学 生 姓 名： x x x 学 号： 2013 年 6 月1CCDCCD 技术的发展及在近代物理实验技术的发展及在近代物理实验 （密立根实验）中的应用（密立根实验）中的应用Xxxx（保山学院，理工学院， 保山， 678000）摘要：摘要：主要探讨 CCD 技术的发展，以及在近代物理实验（密立根实验）中的应用原理，根据计算机单片机技术与线阵相结合的思想，运用线阵电荷耦合器再现出密立根油滴实验应用的方法，为大学

2、物理实验和现代工业自动化生产系统提供了全新的非接触线性长度测量的途径，充分展现了技术在大学物理实验的生命力和应用前景。关键字：关键字：CCD 油滴实验 单片机一、一、CCDCCD 简介及发展史简介及发展史1、CCD 简介：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

3、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。【1-2】22、CCD 技术的发展史：CCD 是 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，便尝试用来作为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式

4、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，贝尔实验室的研究院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项发明，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领先上市，于 1974 年发表 500 单元的线性装置和 100x100 像素的平面装置。3-5 1969 年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的 SONY 公司也开始研究 CCD。 1973 年 1 月，SONY 中研究所发

5、表第一个以 96 个图素并以线性感知的二次元影像传感器“8H*8V (64 图素) FT 方式三相 CCD” 。 1974 年 6 月，彩色影像用的 FT 方式 32H*64 V CCD 研究成功了。 1976 年 8 月，完成实验室第一支摄影机的开发。 1980 年，SONY 发表全世界第一个商品化的 CCD 摄影机 (编号 XC-1) 。 1981 年，发表了 28 万个图素的 CCD (电子式稳定摄影机 MABIKA)。 1983 年，19 万个图素的 IT 方式 CCD 量产成功。 1984 年，发表了低污点高分辨率的 CCD。 1987 年，1/2 inch 25 万图素的 CCD，

6、在市面上销售。3 同年，发表 2/3 inch 38 万图素的 CCD，且在市面上销售。 1990 年 7 月，诞生了全世界第一台 V8。二、二、CCDCCD 的工作原理的工作原理1、CCD 的分类（1） 、从信号传输方式上分：全帧传输 CCD、隔行传输 CCD 两种；（2） 、从滤镜类型来分：原色 CCD 和补色 CCD；（3） 、从感光单元形状和排列方式来分：普通 CCD 和 超级 CCD2、CCD 的外形尺寸规格传统 4：3 的规格走向 16：9 /16：10 更宽广的界线。然而，大多数 DSC 消费型数字相机的 CCD 长宽比，依然沿袭 1950 年代电视规格标准刚制订时 4：3 的标

7、准（3：2 主要仍为 DSLR 数字单眼机身所采用，另中片幅、专业数字机背享有 1：1 之正方形特殊规格） 。主要是这方面设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。 3、CCD 的工作原理（1） 、CCD 的类型：Linear 线性、 Interline 扫瞄、 全景 Full-Frame、 Frame-Transfer 全传 （2） 、CCD 分辨率：指的就是中有多少像素，也就是指这台数字相机的上有多少感光组件。（3） 、CCD 的组成结构：1 感光二极管（Photodiode）2 并行信号积存器（Shift Register）：用于暂时储存感光后产生的电荷。3 并行信号寄存器

8、（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。44 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。（4）CCD 的工作原理由微型镜头、分色滤色片【2】、感光层组成。6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。分色滤色片：分色滤色片为 CCD 的第二层，目前有两种

9、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，几乎所有人类眼睛可以识别的颜色，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）、（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 CC

10、D 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 的结构就像一排排输送带上并排放满了小桶，光线就象雨滴撒入各个小桶，每个小桶就是一个像素。按下快门拍照的过程，就是按一定的顺序测量一下某一短暂的时间间隔中，小桶中落进了多少“光滴”，并记在文件中。一般的CCD 每原色的光度用 8

11、位来记录，即其小桶上的刻度有 8 格，也有的是 10 位甚至 12 位，10 位或 12 位的 CCD 在记录色彩时可以更精确，尤其是在光线比较暗时。早期的 CCD 是隔行扫描的，同一时刻，每两行小桶，只有一行被测量，这样可以提高快门速度，但图像精度大为降低。 随着技术的进步，人们已能让 CCD记录在几十分之一秒，甚至几千分之一秒的时间里，落进各个“小桶”的“光滴”的量，所以，新的 CCD 一般都是逐行扫描的。 （5）CCD 在近代物理实验（密立根）实验中的应用：75采用先进的 CCD 技术将目视方式观测油滴像的油滴仪改造成 CCD 电视显微成像方式的油滴仪，不仅实用效果好，也是新技术在现在技

12、术领域中的推广和应用，会给实验者留下深刻的启迪。（1）、如果在原有的光路上加上 CCD 摄像头，如图（1）所以，（MOD-4 型油滴仪目视显微镜加装 CCD 摄像头的光路图）。从图中可以看到，共有五个光学零件，由于光学元件太多，难以匹配，光能损耗很大，造成油滴像暗淡，边界不清，既影响测量精度，又难以寻找合适的油滴，效果不理想。8361245图（1） MOD-4 型油滴仪显微镜光路图1-显微物镜，2-转向棱镜，3-光学分划板，4-目镜，5-摄像物镜，6-CCD 器件然而，采用专用一体化 CCD 电视显微镜系统，系统光路如图（2）所示，从图中可以看到，光路十分简捷，只有一只 显微物镜和一只高敏度的

13、 CCD 器件，光损耗少，油滴清晰明亮， 效果好。显微物镜CCD 器件6图（2） 一体化 CCD 显微镜（2） 、照明系统与电路是改造 图（3）：9老式的油滴实验仪采用钨丝灯泡，而且更换校对都麻烦， 选用超高亮度的半导体发光二极管代替钨丝灯泡照明，效果明显优 于很多，不但是寿命大大延长，而且更加安全可靠。老式计时器用的体育“秒表” ，易丢失损坏，且很难做到 与实验一致性，在测量时间出现很大的误差，而采用单片机来作电 子计时器，实用方便，精确度高。视频处理技术可以将监控场地的地名、时间等信息在同一 屏幕上显示出来；在这里采用了油滴像、刻度值、计时值在屏幕上 同时显示，不仅使用方便，让学生的操作一

14、目了然。电路改造图如下：视频信号方格同步油滴像帧行CCD 器材同 步 分 离微 处 理 器加 法 器监 视 器计时按钮图（3） 电路改造框图结语：CCD 技术在密立根实验中对实验的精度及实验的操作难度 都有了很大的改善，它更加直观地给我们展示了现代科学技术给我 们的生活与工作带来的益处，同时也给了我们一个明确的启示：再 难再复杂的工作都可以用简单的方式来解决。计 时 电 路7CCD 技术的应用远远不止，目前运用最广的是在航空领域， 像现代的机械设备，如汽车、部分家电设备、以及很多大型工厂等 等，在科技飞速发展的今天，我们只有努力获取新的知识来更新自 己的数据库，这样的我们才能跟上时代的步伐。1

15、 王庆有,孙学珠CCD 应用技术M 天津：天津大学出版社，2000 年：3-5 2 王庆有图像传感器应用技术M 天津：天津大学出版社，2003.93 雷志勇，姜寿山线性 CCD 技术及其在靶场测试中的应用J 西安工业学 院学报. 2002,22(3):220-240 4 蔡文贵. CCD 技术及应用M.北京：电子工业出版社，1992.115 米本和也. CCDCMOS 图像传感器基础与应用M.科学出版社，2006:25-286 李江昊.线性 CCD 信号采集与处理系统研究J.微处理机，2008,4(2)：12-147 梁一帆，王德明用 CCD 技术改造老式密立根油滴仪J 广东石油化工学 院. 2012,8,第 31 卷第 8 期8 刘才明.密立根油滴实验数据处理方法分析J.浙江大学学报.（自然科学报） ， 1996, 30(6)：736-741. 9 史志强.油滴实验方法的研究J.物理实验，2002,22(6):29-35.