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CCD技术的发展及在近代物理实验（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CCD技术的发展及在近代物理实验（密立根实验）中的应用Xxxx7（保山学院，理工学院， 保山， 678000）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：CCD 油滴实验 单片机一、CCD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 王庆有,孙学珠CCD应用技术M天津：天津大学出版社，2000年：3-52 王庆有图像传感器应用技术M天津：天津大学出版社，2003.9-2】2、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，在市面上销售。 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、CCD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（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。 （4）CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片【3 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):220-2404 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.】、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：7 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CCD器件，光损耗少，油滴清晰明亮，效果好。 显微物镜CCD器件 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，让学生的操作一目了然。 电路改造图如下：计时电路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