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涡街流量计

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浅析涡街流量计在CCD图像传感器中的应用

来源:作者:发表时间:2019-11-25

    电荷耦合器件(CCD)现在是涡街流量计以及许多其他表征技术中最常用的传感器之一。这从来不是设备的最初目的-它们最初是在1960年代设计的,用于内存存储应用程序。在本文中,我们将研究什么是CCD,以及它们如何在现代涡街流量计中使用。

    直到最近,胶片相机仍被用于涡街流量计探测器,但此后便转向了CCD。现在,除了通过目镜观察样品外,许多现代涡街流量计还附带了一个摄像头,可以拍摄图像和视频。CCD本质上是一个光电二极管阵列(一种捕获光子的传感器),可用于建立样本图像。
 
    CCD提供了一种数字捕获光子以生成样品图像的方法,并且本质上是掺杂的硅晶片,硅晶片上刻有光敏区域以捕获光子。这些光敏区域是金属氧化物半导体(MOS)电容器,这些电容器中的每一个都充当光电二极管,而光电二极管又充当像素。

    可以将这些光敏区域构建为阵列,以表示许多像素,然后将这些像素用于构建样本图像。当来自显微镜的光子撞击检测器(穿过样品后),从而在每个电容器像素中产生表面电荷时,即可实现此目的。

    之所以产生这种表面电荷,是因为光子在硅晶格中形成了一个空穴(通过光辐照下电子的发射)。当每个像素与下一个像素分开时,空穴的感应实际上会生成存储这些电荷的势阱阵列。  

    电荷的变化与入射光的强度成正比,其中一个光子的吸收等于一个空穴的产生。然后,电荷的这种变化由CCD相机中的电子设备读取,其中电荷在施加的电压下沿传输通道移动。正是这种机制使CCD得了名,就像在转移过程中,硅中电荷的平移耦合到栅极的电压图形一样。

    另外,由于电荷存储在潜在的阱中,因此可以在照相机系统内的芯片读取它们之前将它们存储较长的时间。系统将每个像素的电荷强度和位置值快速数字化,从而可以构造图像并将其输出到监视器上。 

 

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    整个成像过程是瞬时发生的,从而可以对样本进行快速成像。当对样品中的过程进行成像而不是对样品的结构进行成像时,这尤其重要,因为成像过程中的延迟可能无法捕获用户尝试对其成像时发生的情况。像许多相机一样,像素阵列和后续图像可以采用许多宽高比,但最常见的是4:3。
  
    如今,涡街流量计中使用了许多不同的CCD相机,其中许多相机拥有超过1000万像素,低噪声干扰,高灵敏度,高空间分辨率,高光谱带宽,高动态范围,显色能力(使用滤镜)或额外的光学组件),高量子效率(用于成像荧光)和每秒成像许多帧的能力。它们比之前的照相机和图像方法先进得多,并且像所有照相机一样,都在随着现代技术的发展而发展。  

    就目前而言,涡街流量计中使用的CCD相机的范围可以在0。1到20 MHz之间,但是可以根据用户的特定要求进行调整。在CCD相机中,不是图像传感器是图像质量的限制因素,而是电子设备可以通过模数转换器生成/数字化图像的速度。因此,如果图像传感器周围的所有组件也都需要改进,CCD相机系统仍有改进的空间。  

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