光电测试技术课程作业

光电测试技术课程作业

——光学成像器件的发展及应用

专 业：光信息科学与技术 姓 名： 张国繁 学 号： 21106081066 任课老师： 孟云吉

光学成像器件的发展及应用

摘要：CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、

图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。作为摄像器件，与摄像管相比，CCD图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。

关键字：光电检测；CCD；传感器

Abstract：CCDimage sensoras a newmedia converteris now widelyused

inthe field ofimaging, image acquisition, scannersand industrialmeasurement.Asan imaging device, compared with thecamera tube, CCDimage sensorshavesmall size, lightweight, high resolution,high sensitivity, widedynamic range, highgeometric accuracyof the photosensitiveelement,wide spectralresponse range, low voltage, low power consumption, long life, shock resistanceand impactresistance,high reliabilityagainstelectromagneticinterference anda number of advantages.

Key Words：Photodetector；CCD；Sensor

随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高， 光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科， 已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。 光电检测技术具有测量精度高、 速度快、 非接触、 频宽与信息容量极大、 信息效率极高、 以及自动化程度高等突出特点， 令其发展十分迅速， 并推动着信息科学技术的发展。 它将光学技术与现代电子技术相结合， 广泛应用于工业、 农业、 家庭、 医学、 军事和空间科学技术等领域。其中CCD的应用极为广泛。下面我来介绍一下光电检测技术以及CCD的主要特性和国内国际上CCD的发展情况。

1 电检测技术的发展趋势 1.1 光电检测技术

光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一， 它是以激光、 红外、 光纤等现代光电子其件作为基础， 通过对被检测物体的光辐射， 经光电检测器接受光辐射并转换为电信号， 由输入电路、 放大滤波等检测电路提取有用信息， 再经模/ 数转换接口输入计算机运算处理， 最后显示输出所需要的检测物理量等参数。 其工作原理如下图所示：

光电测试技术原理图

其技术主要包括光电变换技术、 光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。 光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量， 它具有如下特点：

1） 高精度。 光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。 如用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m； 光栅莫尔条纹法测角可达到 ； 用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。

2） 高速度。 光电测量以光为媒介， 而光是各种物质中传播速度最快的， 无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。

3） 远距离、 大量程。 光是最便于远距离粗寒痹的介质，尤其适用于遥控和遥测， 如武器制导、 光电跟踪、 电视遥测等。

4） 非接触测量。 光照到被测物体上可以认为是没有测量力的， 因此也无摩擦， 可以实现动态测量， 是各种测量方法中效率最高的一种。

1.2 发展趋势

从上面对光电检测技术特点的分析， 并随着世界各国的激烈竞争正以日新月异的速度突飞猛进及科研技术的提高， 光电检测技术的发展趋势主要表现在：高精度方向发展： 检测精度向高精度方向发展， 纳米、 亚纳米高精度的光电测量新技术是今后的发展热点；智能化方向发展： 检测系统向智能化方向发展， 如光电跟踪与光电扫描测量技术；数字化方向发展： 检测结果向数字化， 实现光电测量与光电控制一体化方向发展；多元化方向发展： 光电检测仪器的检测功能向综合性、 多参数、 多维测量等多元化方向发展， 并向人们无法触及的领域发展， 如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术；微型化方向发展： 光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展； 光电检测系统朝着小型、 快速的微型光、 机、 电检测系统发展；自动化方向发展： 检测技术向自动化， 非接触、 快速在线测量方向发展， 检测状态向动态测量方向发展；以上这些发展趋势是现代化生产的需要， 是现代科学技术发展的需要， 是国防建设的需要。

2 应用前景 2.1

光电检测技术的产生使人类能更有效地扩展自身的视觉能力， 使视觉的长波延伸到

亚毫米波、 短波延伸到紫外线、 x 射线， 并可以在超快速度条件下检测诸如核反应、 航空器发射等变化过程。 光电检测技术以其所具有高精度、 速度快、 非接触、 频宽与信息容量极大、 信息效率极高、 以及自动化程度高等突出特点， 将光学技术与现代电子技术相结合， 广泛应用于工业、 农业、 家庭、 医学、 军事和空间科学技术等许多科学领域。

1)在工业领域方面主要表现在在线检测如零件尺寸、 产品缺陷、 装配定位； 汽车传感器中如汽车电子控制系统的信息源， 关键部件， 核心技术内容， 以及温度、 压力、 位置、 转速、 流量、 气体浓度和爆震传感器等。

2）家庭应用方面主要表现在我们日常生活的用品中， 如数码相机、 数码摄像机的自动对焦—红外测距传感器； 自动感应灯的亮度检测—光敏电阻； 空调、 冰箱、 电饭煲的温度检测—热敏电阻、 热电偶； 电话、 麦克风的话音转换—驻极电容传感器等。 3）医疗卫生应用方面主要表现在： 数字体温计中接触式—热敏电阻， 非接触式有红外传感器； 电子血压计的血压检测的压力传感器； 血糖测试仪、 胆固醇检测仪的离子传感器等。在国防和军事应用方面方面表现在夜视瞄准机系统的非冷却红外传感器技术、 地基拦截器、 早期预警系统、 前沿部署 （ 如雷达） 、 管理与控制系统、 卫星红外线监测系统的方面。光电检测技术在航天领域的应用主要用于检测参数—加速度、 温度、 压力、 振动、 流量、 应变、 声学等传感器方面。从上面所述的应用现状可以看出， 随着光电检测技术的发展及现代化进程的不断推进， 光电检测技术的应用领域将越来越广， 将广泛应用于工业、 农业、 家庭、 医学、 军事和空间科学技术等许多科学领域， 其应用前景是相当乐观。

2.2

目前在国内外光电耦合器件(CCD)的应用最为广泛,其发展前景也非常广泛。CCD图像传感器以其光谱响应宽，动态范围大，灵敏度和几何精度高，噪声低，便于进行数字化处理和计算机连接等优点，在工业测控中得到广泛应用。电荷耦合器件是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器，具有光电转换和信号电荷存储，转移及读出的功能，其输出的信号通常是符合电视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储，增强，识别等处理。其应用实例：

1）零件尺寸的精确测量 2）形变测量 3）机械磨损度测量 4）高温测量 5）三维表面测量

一般来说，大的CCD芯片，其相应的像素面积也较大，接收所摄的光的面积增大，必然使像素输出电荷增多，灵敏度上升，在弱光条件下具有较好的拍摄能力，容易使摄像机整体质量提高，图像西部明显细腻自然，而光学系统聚焦摄像时的焦平面越小，则成像过程中的丢失的细节越来越多，得到的影像放大后细部过渡就可能有突变的现象，显得不自然。另外小尺寸CCD拥有更多的像素和更高的分辨率也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。单个像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄。每个像素上的信息趋于在它附近的象素信息混合，（在电子学上这个叫做色度亮度干扰）

CCD的主要功能控制 1）同步方式选择 2）自动增益控制 3）背光补偿 4）电子快门 5）伽马校正 6）电子曝光 7）抗光晕

目前CCD图像传感器的主要生产主要集中在日本的索尼，东芝，松下，滨松，夏普，NEC,加拿大的Dalsa和没过的柯达等公司。当前各CCD生产厂商和数码相机，摄像机厂商之间像素和照片质量的竞争，实质上是缩小像素面积的竞争。在图像传感方面，目前还是以低性能的CCD为主，至于高性能的CCD多用于医疗，高清晰度电视，电视摄像以及天文学，卫星遥感等领域。

国内图像传感水平和国外差距较大。电子44所，西安光机所和13所等开展CCD研究。在西安光机所研制的中国嫦娥CC立体相机(参数）获取到了首张月图。电子44所CCD图像传感器开发中心具有从事CCD技术研究的4英寸，2微米工艺线和测试仪器设备，是国内唯一的CCD研制线。44所主要从事高性能可见光CCD极大阵列化，以及新型红外CCD研究。

3 结论

随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高， 光电检测技术将朝着检测结果高精度、 系统智能化、 检测结果数字化、 检测功能多元化、 检测器件微型化、 检测系统自动化的放向发展，它将广泛应用于工业、 农业、 家庭、 医学、 军事和空间科学技术等许多科学领域， 其应用前景是相当乐观。CCD应用技术以成为集光学，电子学，精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用与现代光学和光电测试技术领域。事实上，凡可用胶卷和光电检测技术的地方几乎都可以应用CCD。随着半导体材料与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术不断进步，CCD图像传感器的性能也在迅速提高，将CCD技术，计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，能获取被测量对象的更多信息，实现快速，准确的无接触测量，显著提高测量测量技术水平和智能化水平，因此，CCD技术必将以其突出的有点而在工业测控，机械视觉，多媒体技术，虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越多广泛的应用。

参考文献

[1] 郭陪源等.光电检测技术与应用[M].北京航空航天大学,2006. [2] 钟丽云.光电检测技术的发展与应用[J].激光杂志,2000.

[3] 王诣等. 新型光电检测电路的研究与设计[J]. 光电子技术，2012，32(2)：131–136.

[4] 朱仁盛，曲波. 光电传感器及其应用[J]. 电气时代，2010(4)：111–113.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8i47.html