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CCD图像传感器原理

期刊:中国新技术新产品

这篇文档是收录在期刊《中国新技术新产品》(china new technologies and products)2009年第20期中的一个章节,包含了由不同作者撰写、主题各异的两篇独立文章。因此,它不属于一个单一的研究报告或科学论文,而是期刊中一个包含多篇文章的栏目或部分。根据定义,此文档不属于类型a(单一原创研究报告)或类型b(单一的科学论文,如综述、评论等),而属于类型c:其他类型的文档。

以下是基于文档内容提取的骨架和主要观点。


文档骨架与主要观点摘要

本文档由两篇独立的文章组成,均发表于《中国新技术新产品》2009年第20期。两篇文章主题不同,分别涉及光电信息技术和计算机网络应用领域。

第一篇:《CCD图像传感器原理》

作者与机构:周红平,中山大学岭南(大学)学院。

文章主题:系统介绍电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)图像传感器的技术原理、结构、工作过程及关键性能参数。

主要观点与内容结构

  1. CCD的概述与重要性

    • 文章开篇指出,CCD自20世纪70年代诞生以来,已成为最常用的固体图像传感器,是图像采集与数字化的关键器件,广泛应用于科技、教育、医学、工业、军事及消费电子等诸多领域。
    • CCD的核心功能是将光学图像直接转换为电荷信号,从而实现图像的存储、处理和显示。其优点主要体现在体积小、重量轻、功耗低、工作电压低、寿命长、灵敏度高、噪声低、动态范围大、响应速度快、像素密度高、批量生产成本低等方面。
  2. CCD的分类

    • 文章从三个维度对CCD进行了分类:
      • 工作特性:分为线性CCD和矩阵式CCD。
      • 工艺特性:分为单CCD、3CCD及Super CCD。
      • 光谱响应:分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD。
  3. CCD的结构

    • 基本结构类型:从结构上分为线阵CCD面阵CCD。线阵CCD有单沟道和双沟道两种信号读出方式,后者转移效率更高。面阵CCD结构复杂,常见类型包括帧转移(FT)CCD、全帧转移(FFT)CCD、隔列内线转移(ILT)CCD、帧内线转移(FIT)CCD、累进扫描内线转移(PSIT)CCD等。
    • 受光方式:分为正面光照和背面光照两种。
  4. CCD的成像与工作原理(核心部分)

    • 基本原理:CCD由大量按矩阵排列的独立光敏元件(像素)组成。光线照射到光电二极管上并转换成电荷,电荷量与光照强度成正比,从而完成光信号到电信号的转换。这些电荷信号经过模数转换、压缩后输出。
    • 工作过程的四个阶段
      • 电荷存储:基本单元是MOS电容器。当栅极施加正向电压时,在P型硅衬底中形成耗尽层和电子的“势阱”,栅压越大,势阱越深,存储电子的能力越强。
      • 电荷转移:当相邻MOS电容的电极间隙足够小时,其势阱相互耦合。通过在阵列的栅极上按顺序施加不同相位的正向脉冲电压,可以改变势阱的深度,从而驱动信号电荷包沿着预定方向(从浅阱向深阱)顺序转移。转移方式有二相、三相、四相等结构。
      • 电荷输出:将转移来的电荷包转换为电压或电流信号。常用的输出结构有“浮置扩散输出”和“浮置栅输出”结构。
      • 图像信息还原:对于彩色图像,普遍采用Bayer滤色器阵列(R-G-B-G)。通过一组(R, G, B, G)滤色单元,并利用人眼对绿色更敏感的特性(G像素数量是R和B的两倍),根据R、G、B三分量的比例来还原色彩。
  5. CCD的主要性能参数

    • 文章详细阐述了评估CCD性能的关键参数及其意义:
      • 灵敏度:单位曝光量下产生的输出信号电压(电流),宏观描述光电转换能力。
      • 量子效率:一个光子能产生的电子数,从微观角度描述光电转换效率。
      • 光谱响应特性:由光电二极管材料(如硅)决定,决定了CCD对不同波长光的响应能力,存在长波极限和短波极限。
      • 转移效率:电荷包单次转移的完整程度。由于CCD中电荷包需经历成百上千次转移,即使单次转移效率极高(如0.99999),总转移效率也可能显著下降,这是设计高像素CCD时需要克服的关键问题。
      • 不均匀度:由工艺和材料不均引起,包括光敏元响应不均匀和CCD转移不均匀。像素越多,均匀性问题越突出,是限制像素提升和导致成品率低(一般不足50%)的重要因素。
      • 动态范围与采样精度:动态范围由光敏元满阱信号与等效噪声信号的比值决定,反映了器件能同时捕捉最亮和最暗细节的能力。采样精度指模数转换的位数(如12 bits),影响图像色彩的层次和过渡细腻程度。
      • 线性度:输出信号与曝光量之间的线性关系。通常在弱信号(受噪声影响大)和接近满阱信号时(耗尽层变窄导致量子效率下降),线性度会变差。

文章价值:这篇《CCD图像传感器原理》是一篇优秀的科普性与技术综述相结合的文章。它系统、清晰、有条理地讲解了CCD这一核心成像器件从基本概念到内部工作机制的完整知识链,对于电子工程、光电技术、摄影测量等领域的学生、工程师和爱好者具有很好的学习和参考价值。文章不仅解释了“如何工作”,还深入分析了影响其性能的关键参数及其物理根源,体现了相当的深度。


第二篇:《基于Web Service的分布式国家软件人才网的设计与实现》

作者与机构:吴晓峰(青岛软件园发展有限公司)、于振伟(青岛软件园管理办公室)、金澄(青岛软件园人力资源服务有限公司)。

文章主题:介绍如何利用Web Service技术构建一个分布式、可扩展的国家级软件人才网站,以解决传统人才网站信息孤岛、资源分散的问题。

主要观点与内容结构

  1. 项目背景与问题提出

    • 指出虽然基于Web三层结构的人才网站已很普遍,但多数以地区为基础建设,系统自成体系,导致资源分散、信息共享困难,形成了“信息孤岛”。
    • 人才资源的信息化、网络化是趋势,成功的大型商业网站(如前程无忧、中华英才网)证明了先进技术平台的重要性。
    • 国家软件人才网的目标是服务于全国软件企业和人才,需要在提供基础服务的同时,增加新功能(如人力资源管理)、增强交互,并关键地实现分布式共享处理能力,以便向其他地区或中心提供服务。
  2. 解决方案:采用Web Service架构

    • 文章提出采用Web Services作为系统集成的核心方案。Web Services定义了一组标准协议(如SOAP, WSDL),用于接口定义、方法调用和基于Internet的构件注册。
    • 优势分析:Web Services结合了组件化思想和Web技术,利用标准网络协议(HTTP)和XML数据格式通信,具有良好的普适性、灵活性和跨平台性。它允许任何支持标准的系统动态定位并相互交互,突破了传统分布式技术(如CORBA, DCOM)在通信和防火墙穿透方面的限制,便于快速构建和部署全球性应用。
  3. 基于J2EE的Web Services工作原理

    • 服务模型:在Java环境下,服务通过JAXR (Java API for XML Registries)发布到注册中心,客户同样通过JAXR寻找服务,并使用JAX-RPC进行绑定和调用。
    • 通信过程:详细描述了SOAP(消息层)和HTTP(传输层)的协同工作流程。客户端将服务请求封装成XML格式的SOAP消息,通过HTTP协议发送;服务器端接收后,解析SOAP消息,调用相应的J2EE业务功能,再将响应封装成SOAP消息通过HTTP返回。这一过程实现了应用程序间基于开放标准的、可通过防火墙的通信。
  4. 国家软件人才网的系统特点(基于Web Service带来的优势)

    • 实时整合:服务可在运行时动态搜索和绑定,使Web应用能够实时整合。
    • 通过封装减少复杂性:将业务对象封装成由WSDL描述的服务,对外屏蔽了后台技术细节和复杂性,提高了系统的灵活性和可维护性。
    • 可扩展、易维护:模块化设计,可通过升级或替换服务实现功能扩展;系统设置集中管理。
    • 向下兼容性:通过对现有Web应用模块用WSDL进行封装,并添加XML中间件桥接SOAP请求与后台实现,可以平滑地将旧系统纳入新架构,保护已有投资。
    • 分布式站点共享:核心特点。系统支持按地域划分子站点,但数据库集中共享,从而实现网站的分布式服务与数据的集中管理,完全支持在网络分布式环境下的信息发布与更新。
  5. 项目意义与结论

    • 该系统旨在建设一个跨地区、综合性、全动态的软件人才信息发布与交易平台。
    • 系统不仅能处理人才交易,还能基于交易数据为人力资源动向提供科学的统计分析,具有较高权威性。
    • 项目的成功为全国软件行业人力资源信息的建设与共享奠定了重要的技术基础。

文章价值:这篇论文是一篇典型的信息系统设计与实现案例报告。它清晰地展示了一个实际项目中如何运用当时新兴的Web Service技术来解决传统B/S架构中的集成与扩展难题。文章不仅描述了技术选型(Why Web Service),还具体阐述了其在J2EE平台下的实现机理(How it works),并详细列出了该架构给最终系统带来的五大核心优势。对于从事企业级应用开发、系统集成、以及Web服务技术研究的人员而言,这是一个具有参考价值的实践案例。

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