01、CCD的工作原理
1●CCD的MOS光敏单元的结构
CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层SiO2，在SiO2表面沉积一层金属电极，就构成了一个MOS结构。P型MOS光敏单元如图8.20所示。这样的一个MOS结构称为一个光敏单元，或称为一个像素。将若干个MOS结构组成阵列，再加上输入、输出部件，就构成了CCD器件。
2●CCD电荷存储的原理
组成CCD的基本单元是MOS电容器，MOS电容器能够存储电荷。如图8.20（2）所示，MOS电容器中的半导体是P型硅，把衬底接地，在金属电极上施加一个正电压UG，金属电极板上充上一些正电荷，电势高，那么，在P型硅-SiO2界面附近形成一个区域，这个区域把P型硅中的多数载流子（空穴）排斥到表面入地，而对P型硅中的少数载流子（电子）具有吸引作用，能够容纳电子，因此，把这个区域称为电子势阱。在一定的条件下，所加的正电压UG越大，电势越高，电子势阱就越深，所能容纳的电荷量就越大。
如果此时有光线照射到硅片上，在光子的作用下，半导体硅吸收光子，产生电子-空穴对，其中的光生电子被电子势阱所吸收，而空穴被排斥出势阱。电子势阱所吸收的光生电子数量与照射到该电子势阱附近的光线强度成正比，如图8.20（3）所示。因此，电子势阱中电子数量的多少就反映了光线的强度，即该像素的明暗程度，即这种MOS电容器可以实现光信号向电信号的转变。
如果给光敏单元阵列的各个单元同时加上正电压UG，那么，整个图像的光信号就同时转化为电荷包阵列，从而得到整个图像的电信号。而且，电子势阱中的电子处于被存储状态，即使停止光照，在一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。
但是，这种记忆是有时间限制的，随着时间的推移，各个单元中电子势阱中的电子会慢慢泄漏，在足够长的时间之后，电子势阱中的电子全部泄漏了，此时，所拍摄的图像也就不复存在了。
3●CCD电荷转移的原理
为了永久地保存所拍摄的图像，必须把各个单元中电子势阱中的电子数量信息传送出来，并用电子化的手段保存下来。因此，CCD需要进行电荷的转移。
由于所有光敏单元共用一个电荷输出端，因此，需要进行电荷转移。为了方便电荷转移，CCD器件的基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏单元，这些光敏单元的间距为15~20μm，它们使用同一半导体衬底，氧化层均匀、连续，相邻金属电极间隔极小。
在电荷转移时，设加在两个相邻金属电极的电压分别为UG1、UG2，UG1
在电荷转移过程中，持续的光照又会产生电荷，使信号电荷发生重叠，出现图像模糊的问题。为了解决这个问题，在CCD摄像器件中，把摄像区与传输区分开，并且保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。
4●CCD信号电荷的输出
CCD信号电荷的输出方式如图8.22所示。输出栅OG是CCD阵列末端衬底上的一个输出二极管。当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下，移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上形成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷的大小成正比，并通过负载电阻RL转换为信号电压Uo输出。
02、常用波简介
1●声波
发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播称为声波。声波是声音的传播形式，发出声音的物体称为声源。声波是一种机械波，由声源振动产生，声波传播的空间称为声场。声波借助各种介质向四面八方传播，声波所到之处的质点沿着传播方向在平衡位置附近振动，声波的传播实质上是能量在介质中的传递。除了空气之外，水、金属、木头等弹性介质也都能够传递声波，它们都是声波的良好介质。在真空状态，由于没有任何弹性介质，因此，声波不能传播。在气体和液体介质中，声波通常是纵波；在固体介质中，声波主要是纵波，但也有横波分量。
声音的大小称为音量，音量与声强、声功率有关。声强是指在声波传播的方向上单位时间内通过单位面积的声能量，单位是分贝（dB）。人耳刚能听见的声强是0dB，普通谈话的声强是60~70dB，凿岩机、球磨机的声强为120dB，使人耳产生疼痛感觉的声强是120dB。声功率是指声源在单位时间内辐射出来的总能量。音量与声强、声功率都成正比关系。
声波的频率是指波列中质点在单位时间内振动的次数，单位为赫兹（Hz）。声音的音调是由声源的振动频率决定的，频率愈高，音调愈高。各种声源的振动频率千差万别，使得声波丰富多彩。例如，小鼓的声波频率为80~2000Hz，钢琴的声波频率为27.5~4096Hz，大提琴的声波频率为40~700Hz，小提琴的声波频率为300~10000Hz，笛子的声波频率为300~16000Hz，男低音的声波频率为70~3200Hz，男高音的声波频率为80~4500Hz，女高音的声波频率为100~6500Hz，人们普通谈话的声波频率为500~2000Hz。
根据声波频率的不同，可以把声波分为几个频段，如图9.1所示。频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz~20KHz之间的声波，称为可闻声波；频率在20KHz以上的声波称为超声波。
在不同的介质中，声波传播的速度是不同的。通过测量得知，声波在淡水中的速度为1430m/s，在海水中的速度为1500m/s，在钢铁中的速度为5800m/s，在铝中的速度为6400m/s，在石英玻璃中的速度为5370m/s，而在橡胶中的速度仅有30~50m/s。
声波传播的速度随着介质温度、密度、压力的变化而改变。在一个标准大气压、相对湿度为0的条件下，声波在空气中的传播速度为
其中，T是空气的温度，单位℃。
根据公式（9.1）计算得，当气温为0℃时，声波在空气中传播的速度为331.45m/s，而气温每升高1℃，声速就增加0.607m/s。通常，常温是指20℃的气温，因此，在常温下，声波在空气中的传播速度为344m/s。
声波的速度v与频率f、波长λ之间的关系为
超声波所含的能量较高，方向单一，穿透力强。次声波频率低，波长很长，传播距离很远。超声波、次声波都属于声波，传播速度和普通声音的传播速度一样。
2●电磁波
电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波的行进伴随着能量的传输。
电磁场包含电场与磁场两个方面，分别用电场强度E及磁场强度H表示其特性。按照麦克斯韦电磁场理论，这两部分是紧密相依的。时变的电场会引起磁场，时变的磁场也会引起电场。电磁场的场源随时间变化时，电场与磁场互相激励，导致电磁场的运动，从而形成电磁波。电磁场是物质的特殊形式，具有一般物质的主要属性，如质量、能量、动量等。
电磁波伴随的电场方向、磁场方向、传播方向三者互相垂直，因此，电磁波是横波。当电磁波的能阶跃迁过辐射临界点时，便以光的形式向外辐射，这个阶段的波体为光子，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态。电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等于光速，c=2.99792458×108m/s≈3×108m/s。
电磁辐射量与温度有关，高于绝对零度的物质或粒子，都有电磁辐射，温度越高，辐射量越大，但是，大多数电磁辐射人眼观察不到，人眼可以看到的电磁波，称为可见光。
频率是电磁波的重要特性，电磁波各个频段的界定如表9.1所示。
按照频率的顺序，把电磁波排列起来，就是电磁波的波谱图，如图9.2所示。按照从低频到高频的顺序，电磁波主要分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。通常所说的电磁波，就是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线，而把X射线、γ射线看成放射性的辐射。X射线又称为伦琴射线，是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时，或电子在原子核电场内减速时所发出的。γ射线是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。
粗略地说，无线电波常用于通信等，微波用于微波炉、雷达等，红外线用于遥控、热成像仪、红外制导等，可见光是大部分生物用来观察世界的基础，紫外线用于医用消毒、验证假钞、距离测量、工程探伤等，X射线用于CT扫描，γ射线用于治疗，或使原子发生跃迁，从而产生新的射线。
