人类的千里眼和火眼金睛—CCD摄像机

在晚年，人们经常把“你想坐在炕上看一场大戏，不要做梦”作为一句口头禅来嘲笑那些不切实际、爱做梦的人和事。现在，坐在家里看一场大戏，钻进牛的肚子里去寻宝，简直是小菜一碟。如果你不相信我的话，宿舍里不时会爆发出打破夜空的狂欢声:“在，在，好球！”这是直播世界杯的电视台。每个人都坐在家里，和世界另一边的球迷一起看比赛，为足球运动员加油。在这一刻，地球似乎突然变小了，小到可以用手转动，你可以在任何地方看到它。孙悟空连跳带喊:“我拿了，我拿了！”孙悟空凭什么自卑？这就是通过高科技研究成功开发并被人类广泛使用的CCD摄像技术。它把童话《西游记》中孙悟空的千里眼和金眼睛变成了现实，成为人类征服自然的有力工具。CCD摄像机到底是什么？事实上，这根本不是秘密。CCD相机是利用CCD耦合器件和光电光转换原理，通过半导体集成电路制造工艺制成的固态成像器件。电荷耦合器件是三个词“电荷耦合器件”的缩写。CCD摄像机是一种通过施加驱动时钟脉冲电压驱动CCD光敏面照射光强来完成电荷注入、电荷转移和电荷输出，从而实现视觉信息的获取、保持和传输的仪器。在它的帮助下，丰富多彩的现实场景和外部世界的图片可以在人们面前的电视屏幕上传输和显示。即使安装在卫星上的电荷耦合器件照相机也能通过无线电传输看到遥远的外层空间天体和外层行星表面。CCD摄像机如何将图像转换成电信号进行远距离传输，然后将其还原成图像？在这里，我们将以一台相机为例，讨论一下电荷耦合器件的工作原理，如图1所示。

场景或人物通过相机镜头将光学图像成像在摄影胶片上，如果光圈大小和曝光时间调整得当，光学图像将被记录在胶片上。经过显影和定影后，胶片将永久记录当时的瞬间场景，通常称为记录。将胶片展开并复制到图像纸上称为复制。如果我们设想在摄影胶片的位置可以有一个快速连续的图像记录装置，借助光电转换，记录的图像可以同时连续输出和再现，难道我们不能实现动态光电日期光的转换吗？自20世纪60年代以来，科学家们高度集中开发的CCD器件具有上述功能，如图2所示。

电荷耦合器件是由几个小的光敏元件(通常称为像素)组成的阵列，排列整齐紧密，总数达到几十万甚至几百万。它们的功能相当于人类视网膜上的感光细胞，用来感知照射在它们身上的光的强度和颜色。每个像素只有0.008X0.008平方毫米，相当于人类头发端面的1/10。每个像素是一个相对独立的光电转换单元。在施加到电荷耦合器件的工作电压(通常称为驱动脉冲电压)的驱动下，当光学图像被输入时，光敏元件经历光电转换过程，并且在对应的像素位置处产生具有对应于光学图像位置的不同光强度的电荷。如果我们把一个按时间顺序转移的余电压加到CCD阵列上，驱动光敏象素中产生的电荷，电荷将一次输出一个象素，一行高速连续输出。当根据电视要求的规则发送到电视接收机时，在每个瞬间形成的静止光学图像将被连续显示。当这个时间间隔小于人眼的停留时间时，我们看到的将是连续活动的真实场景图像。随着科学技术的不断进步和发展，CCD摄像机技术也在不断更新和拓展。根据用途的不同，可分为两种类型:线阵CCD相机和面阵CCD相机。根据不同的需要，它可以分为黑白和彩色。根据光波的波段，可分为紫外、可见和红外CCD摄像机等。与传统的光电控制探测器相比，CCD摄像机具有体积小、重量轻、分辨率高、功耗低、使用寿命长、可靠性强等一系列优点。因此，CCD摄像机广泛应用于航空航天、卫星侦察、军事安全监控、天文观测、通信、交通运输、机械电子、计算机、机器人视觉、广播影视、医用窥镜、显微手术、远程会诊以及人们工作和生活的各个方面。当今世界已经进入信息时代，一场以数字电视、数字通信和计算机多媒体为特征的新的信息革命正在兴起。CCD相机技术作为一种扩展人眼功能的视觉传感器，在光电图像信息的获取中发挥着极其重要的作用，具有广阔的前景。