IB物理/数字技术

14.1 模拟和数字信号

14.1.1 解决涉及二进制数和十进制数之间转换的问题

在二进制系统中，仅使用0和1来表示一个数字。从右端开始，每个数字分别对应于2⁰、2¹、2²，依此类推。

例如，101001₍₂₎ = 1×2⁵ + 0×2⁴ + 1×2³ + 0×2² + 0×2¹ + 1×2⁰ = 41。

二进制形式给定的数字中第一个非零数字称为MSB（最高有效位），最后一个数字称为LSB（最低有效位）。

14.1.2 描述以模拟和数字形式存储信息的不同方法

• 黑胶唱片

• 盒式磁带

• 软盘

• 硬盘

• CD（光盘）

• DVD（数字通用光盘）

14.1.3 解释如何利用光的干涉来恢复存储在CD上的信息

CD的内部结构由凹坑和凸面组成。激光用于读取这些凹坑和凸起（CD的环形）。当激光照射到凹坑上时，光线会反射回来，返回0信号（相长干涉）。但是，当激光照射到凸起的边缘时，会发生相消干涉（1信号），入射光和反射光具有波长/2的相位差。因此，凹坑深度/凸起高度可以近似为波长/4。

14.1.4 根据激光波长计算合适的凹坑深度

凹坑深度 = 1/4*波长

14.1.6 讨论以数字形式而不是模拟形式存储信息的好处和坏处

优点

• 数据存储容量巨大
• 访问特定存储数据的速度很快
• 数据检索速度很快
• 存储更可靠
• 数据可以由计算机处理和操作
• 存储的数据可以轻松复制或擦除

缺点

数字存储出现严重错误通常是灾难性的（数据可能无法恢复），而模拟数据则会缓慢降级。

14.1.7 讨论数据存储能力不断提高对社会的影响

可能需要考虑的因素包括

• 盗版：数据可以复制，而不会导致信息质量下降，导致非法音乐和电影光盘市场庞大。
• 隐私：政府和公司可以存储大量关于公民的信息，并且可以轻松访问这些信息。例如，警察记录、手机记录等。
• 由于数据存储容量不断增加，社会上可获得的信息也越来越多。这导致许多领域（包括银行和临床医学）的效率大大提高，并且还促进了国内和全球范围内的沟通。
• 浪费：数字存储设备定期被丢弃，尤其是在技术不断升级的情况下。许多设备即使包含可重复用于新光盘的材料（如CD中的聚碳酸酯）也会被丢弃。

14.2 数据采集；使用电荷耦合器件（CCD）的数字成像

14.2.1 定义电容

电容（C）是存储电荷的能力。其单位为F（法拉）。Q=CV，其中Q是流过电容器的电荷，V是电压。

14.2.2 描述电荷耦合器件（CCD）的结构

CCD是一种被划分为单独区域的硅芯片。每个区域称为像素。每个像素都可以被认为像一个电容器一样工作。

14.2.3 解释入射光如何在像素内产生电荷累积

如前所述，像素表现得像电容器一样，实际上，它是设计用于在电位差上存储电荷的。当光线照射到像素上时（当然假设光线具有最小频率），就会发射电子——光电效应——并产生电位差。每个像素存储一定量的电荷，并在像素阵列中“传递”电荷。入射光的强度会影响每个像素所能容纳的电荷量。

14.2.4 概述CCD上的图像如何数字化

由电子对迁移到相关电极引起的电势变化被转换为数字信号。

14.2.5 定义像素的量子效率

量子效率定义为发射的光电子数与入射到像素的光子数之比；并非每个入射光子都会导致光电子的发射。通常量子效率在70%到80%之间。

14.2.6 定义放大倍数

CCD的放大倍数是指CCD上图像长度与物体长度之比。

14.2.7 分辨率

如果物体的两个点的图像在CCD上相距超过两个像素，则这两个点在CCD上被分辨出来。

14.2.8 讨论量子效率、放大倍数和分辨率对处理后图像质量的影响

量子效率；QE越高，器件的灵敏度越高。放大倍数；更大的放大倍数意味着给定图像区域使用更多像素。图像将更加详细。分辨率；分辨率越高，记录的细节越多。分辨率的提高意味着给定图像将占用更多内存

14.2.9 描述CCD的一系列实际应用，并列出与使用胶片相比的一些优势

用于... - 成像设备，如复印机、传真机、邮件分拣机和条形码阅读器 - 闭路电视摄像机和摄像机 - 天文学（检测微弱/遥远的天体） - 检测低水平辐射 - 测试药物与其靶标结合的有效性 - X射线成像

此外，CCD的QE为25%-95%，而胶片的QE仅为5-20%。

CCD比胶片噪声更低，因此产生的暗电流更少。

14.2.10 概述如何检索存储在CCD中的图像

- 来自物体的光聚焦到收集区域上 - 入射到收集区域的光的强度和波长各不相同 - 从每个像素弹出的电子数量因像素而异 - 与每个像素相关的电势变化因像素而异 - 收集区域的电势变化是物体在收集区域上的图像的“地图” - 与给定像素相关的每个电势差变化转换为数字信号