CCD的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景

1、CCD的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景摘要：CCD全稱為charge coupled Device譯名為電荷耦合器件，是七十年代初發(fā)展 起來(lái)的一種新型的半導(dǎo)體器件。CCD器件是一種固體化器件(1)體積小、質(zhì)量輕、 功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)： (2)圖像畸變小，尺寸重現(xiàn)性好： (3)具有較高的空 間分辨力： (4)光敏元間距的幾何尺寸準(zhǔn)確度高，可獲得較高的定位準(zhǔn)確度和測(cè) 量準(zhǔn)確度。經(jīng)過幾十年的不斷更新與發(fā)展， 到目前為止， 其應(yīng)用范圍己非常廣泛， 涉及到航空航天、廣播攝像、工業(yè)視覺、尺寸測(cè)量等眾多領(lǐng)域。關(guān)鍵詞： CCD 技術(shù)應(yīng)用 發(fā)展現(xiàn)狀 發(fā)展前景引言：CCD使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變

2、成電荷，通過模數(shù) 轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或 內(nèi)置硬盤卡保存， 因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)， 并借助于計(jì)算機(jī)的 處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。CCD由許多感光單位組成，當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將 電荷反映在組件上， 所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起， 就構(gòu)成了一幅完整 的畫面。 它就像傳統(tǒng)相機(jī)的底片一樣的感光系統(tǒng)， 是感應(yīng)光線的電路裝置， 你可 以將它想象成一顆顆微小的感應(yīng)粒子， 鋪滿在光學(xué)鏡頭后方， 當(dāng)光線與圖像從鏡 頭透過、投射到CCD表面時(shí)，CCD就會(huì)產(chǎn)生電流，將感應(yīng)到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成數(shù)碼 資料儲(chǔ)存起來(lái)。CCD

3、像素?cái)?shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會(huì)越清 晰。因此，盡管CCD數(shù)目并不是決定圖像品質(zhì)的唯一重點(diǎn)，我們?nèi)匀豢梢园阉?當(dāng)成相機(jī)等級(jí)的重要判準(zhǔn)之一。它可以分為線型和面型兩種傳感器。線陣 CCD 獲取的信息少， 不能處理復(fù)雜的圖形。 但其處理信息的速度快， 后續(xù)處理電路簡(jiǎn) 單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，且價(jià)格低廉，因此線陣CCD主要用于產(chǎn)品外部尺寸的非接觸檢測(cè)、 控制和分類、 產(chǎn)品表面質(zhì)量評(píng)定、 自動(dòng)化及機(jī)器人視覺中的精確定位 等。面陣CCD獲取的信息量大，能處理復(fù)雜的圖形，主要用于圖象的記錄、儲(chǔ) 存等方面，但其缺點(diǎn)是處理信息的速度慢，且價(jià)格高。本文主要對(duì)CCD的應(yīng)用的原理、 現(xiàn)狀進(jìn)行分析及對(duì)其發(fā)展

4、前景進(jìn)行展望。CCD的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域：1、CCD攝像機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨 Digital Sig nal Camera(DSC)數(shù)碼照相機(jī)是近兩三年投放市場(chǎng)的一種新型照 相機(jī)。由CCD傳感器采集的圖像信號(hào)經(jīng)過數(shù)字處理后可被記錄在磁卡上由 計(jì)算機(jī)讀取磁卡上的圖像數(shù)據(jù)再現(xiàn)出圖像， 并可借助各種圖像處理軟件進(jìn)行圖像 編輯和圖像處理。 Medica1 ：醫(yī)用顯微內(nèi)窺鏡利用超小型的 CCD攝像機(jī)或光纖圖像傳輸內(nèi)窺 鏡系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人體顯微手術(shù)減小手術(shù)刀 VI 的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦。同時(shí)還可進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程會(huì)診和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。 Vehicle Camera在各種車輛中加裝CCD攝像機(jī)可以使

5、駕駛?cè)藛T借助車內(nèi) CCD攝像機(jī)、車上的后視鏡系統(tǒng)和駕駛員前面的顯示器不僅可隨時(shí)看到車內(nèi)的 情況.而且可在倒車時(shí)觀察后面的道路情況， 在向前行進(jìn)過程中也能隨時(shí)看到后 方車輛所保持的距離.提高了行車安全。2、光學(xué)信息處理利用CCD可以進(jìn)行文字識(shí)別OCR標(biāo)識(shí)識(shí)別OMR圖像識(shí)別OPR光譜能量檢測(cè)。 光譜能量分析CCD與可以提供二維光譜且分辨率很高的中階梯光柵結(jié)合，能夠同時(shí)采集到 分布在空間的多個(gè)信號(hào)，大大地提高了全光譜的檢測(cè)效率。將CCD與計(jì)算機(jī)相結(jié) 合，把同時(shí)獲得的各波長(zhǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)串行輸入給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，幾乎實(shí)時(shí)地得到全部光譜的光強(qiáng)分布圖。CCD多通道光譜儀已經(jīng)成為光譜儀的一個(gè)重要的發(fā)展方 向?；?/p>

6、光譜檢測(cè)原理如圖7所示。S為光源，L1、L2、是三透鏡系統(tǒng)，使入 射光能量集中在狹縫D上, P是光柵，它將狹縫出射的光按波長(zhǎng)的大小由第零級(jí) 開始，從短波向長(zhǎng)波散開，并由透鏡 Ld成像在后焦面上。這樣，當(dāng)含有許多波 長(zhǎng)的復(fù)合光入射在光柵上時(shí)，則在其后焦面上將得到該復(fù)合光所有組分的、按波 長(zhǎng)次序排列的主最大的細(xì)亮線，即形成了衍射光譜。衍射級(jí)次k越大，色散效果 越明顯，但能量也隨之下降。還有一種基于CCD勺光譜儀利用棱鏡代替光柵產(chǎn)生 色散，其光譜數(shù)據(jù)采集光路圖略。 圖像識(shí)別、標(biāo)識(shí)識(shí)別面陣CCD在這方面有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同要求，利用CCD圖像傳感器可以 設(shè)計(jì)出不同的識(shí)別系統(tǒng)。以下介紹兩個(gè)目前成熟應(yīng)用

7、的實(shí)例實(shí)例一： 對(duì)汽車牌照 進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，一般都采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與模式識(shí)別相結(jié)合，通過CCD攝像機(jī)捕獲汽車牌照?qǐng)D像，其視頻信號(hào)經(jīng)過 AX D后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，再利用圖像處理技術(shù) 和模式分類技術(shù)完成對(duì)牌照的搜索、分割和識(shí)別。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于公安交 通、存車場(chǎng)警衛(wèi)監(jiān)控、高速公路自動(dòng)收費(fèi)等（圖1）。目前北京市采用該方法對(duì)主 干道車輛進(jìn)行車牌識(shí)別，通過數(shù)據(jù)處理找出交納養(yǎng)路費(fèi)的車輛。 實(shí)例二：圖文傳真，用CCD乍傳真機(jī)。圖文傳送速度較快， 如用東芝公司的線陣CCTCD160C可以在不到一秒鐘的內(nèi)完成 A4稿件的掃描（圖2）。L1 ? 13 | |MI J CCT 冷酬訃炳哦坐K郴屮心I料絡(luò)通”快塊IQ二

8、圖1光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3、生產(chǎn)過程自動(dòng)化圖2汽車牌照自動(dòng)識(shí)別技術(shù)功能模塊圖f邈別磁朗CCD應(yīng)用于自動(dòng)工作機(jī)械，自動(dòng)售貨機(jī)，監(jiān)視等裝置。本節(jié)對(duì) CCD在焊接自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行詳述。CCD用于焊接自動(dòng)化焊縫跟蹤在焊接自動(dòng)化系統(tǒng)中，使焊槍同步跟蹤焊縫是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中心問題，其難點(diǎn)是電弧位置的精確測(cè)控。CCD跟蹤對(duì)象可以是輔助圖象、電弧及熔池?zé)釄?chǎng)。普通 CCD攝像頭的分辨可以達(dá)到0. 05mm,動(dòng)態(tài)跟蹤檢測(cè)精度可達(dá)0. 06mm，均比 采用其他方法檢測(cè)精度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖 10是埋弧焊自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的傳感器 結(jié)構(gòu)圖。傳感器由光發(fā)射和接收兩部分組成。系統(tǒng)中采用的線陣CCD器件被置于工件正上方，在垂直方向只

9、接收散射光信號(hào)的光路結(jié)構(gòu)。激光從激光二級(jí)管發(fā) 出，經(jīng)柱面透鏡，在工件表面匯聚成寬度很窄的光帶。適當(dāng)選取柱面透鏡的焦 距.使該光帶形成結(jié)構(gòu)光。由于該光平面以一定角度入射到工件上， 隨著坡口處 位置高低的變化，該光帶在工件表面和坡口內(nèi)部將形成一條空問曲線 ABCDE激 光在工件上產(chǎn)生反射和散射，線陣 CCD器件在垂直方向上只接收散射光。根據(jù) 瑞利定律可知散射光的強(qiáng)度隨觀察方向變化。 選擇最佳入射角.使得在垂直方向 上的散射光最為理想，故確定該值為傳感器發(fā)射與接收光路間的夾角。工件表面上的散射光帶作為光源，經(jīng)過圓透鏡成像。該像也為一空間曲線。當(dāng)圓透鏡的焦 距足夠大時(shí)，該光學(xué)系統(tǒng)的景深也相應(yīng)較長(zhǎng)?？烧J(rèn)

10、為像曲線為一平面曲線abcde。 將線陣CCD放置在像平面上，使其感光部分與像曲線的直線部分 ab和de重合。 這樣來(lái)自工件表面的光能落在 CCD上并使其感光，而坡口內(nèi)的光帶所成的像 bc 和cd落在CCD的感光部分之外，不能使CCD對(duì)應(yīng)的位置感光，由此可以提取焊 縫坡口位置信息。焊縫坡口內(nèi)的部分與工件表面高度差別越大的點(diǎn)，所成的像離CCD相應(yīng)的感光部分越遠(yuǎn)。CCD所能接收到的光也就越少，甚至接收不到光。路 中的濾光片用以增強(qiáng)系統(tǒng)抗雜光干擾的能力。圖3傳真機(jī)系統(tǒng)示意圖圖4傳感器結(jié)構(gòu)圖采集到信號(hào)后對(duì)焊縫坡口信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理：圖像處理，跟蹤控制鋒法，焊矩高度的自適應(yīng)控制等等，最終達(dá)到埋弧焊的自動(dòng)

11、跟蹤控制。蹤控制。、工業(yè)機(jī)器人視覺傳感器機(jī)器人視覺涉及三個(gè)方面的問題，即視覺敏感器、照明、視覺信息處理的硬 件和軟件。其原理比較復(fù)雜。目前用于激光掃描三角測(cè)量的視覺敏感器主要有二 維面型PSD、線型PSD和CCD。高性能的CCD器件同其他類型的傳感器相比， CCD傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)：a）獲取的信息量大，精度咼（最咼精度可以達(dá)到gn級(jí)）?？梢垣@得精確的幾何形狀 和空間位置信息；b）檢測(cè)空間范圍大，誤差容限大（35譜響應(yīng)范圍可達(dá)到3801100rim，檢測(cè)誤差為on級(jí)）:c）具有智能化特點(diǎn)，可以自動(dòng)檢測(cè)和選定所要檢測(cè)位置的起點(diǎn)和終點(diǎn)：d）通用性好，適合于多種機(jī)器人視覺系統(tǒng)：e）實(shí)時(shí)性能好。4、軍事

12、CCD傳感器在軍事領(lǐng)域也發(fā)揮了很大作用.目前主要用于導(dǎo)航、自動(dòng)跟蹤、偵查等。航空遙感：把高密度線陣CCD掃描系統(tǒng)安裝在飛機(jī)、衛(wèi)星上，由飛機(jī)、衛(wèi)星 完成對(duì)地面的一維掃描， 由CCD傳感器在飛行的垂直方向上自掃描.即可實(shí)現(xiàn) 高分辨率的高空攝影（圖5）。信號(hào)處理Hr數(shù)字處逢按電費(fèi) 錄像機(jī)圖5航空CCD掃描系統(tǒng)CCD應(yīng)用前景目前，隨著大規(guī)模微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，CCD像素高密度集成技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。器件像素的中心距已做到 0. 0040. 007mm,線陣CCD可達(dá) 5000個(gè)像素，這就為計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用 CCD打下了良好的基礎(chǔ)。CCD作為一種易于 與計(jì)算機(jī)連接的傳感器，在位移檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量、熱加

13、工溫度場(chǎng)模擬、激光 加工研究、光譜分析、無(wú)損探傷等方面都有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是數(shù)字CCD傳感器的開發(fā)，CCD傳感器與信號(hào)采集電路的大規(guī)模集成， 新型快速圖蒙處理軟 件的開發(fā)，使得CCD傳感器在工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)控制應(yīng)用中將發(fā)揮更重要的作用。 CCD傳感器在焊縫跟蹤自動(dòng)化系統(tǒng)中，已成功地應(yīng)用于平面的焊縫跟蹤， 在未來(lái) 的發(fā)展趨勢(shì)中，運(yùn)用CCD傳感器在進(jìn)行船體、儲(chǔ)汽罐等復(fù)雜幾何形狀、三維幾 何形狀的焊接跟蹤實(shí)時(shí)控制中，更易于實(shí)現(xiàn)焊接實(shí)時(shí)控制，而且可以實(shí)現(xiàn)任意形 狀的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤，將起到更重要的作用。它在三維測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。CAD, CAM,多煤體應(yīng)用和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中都有廣闊的應(yīng)用前景。它將促使鋁 4 造業(yè)向機(jī)器人自動(dòng)檢測(cè)與控制、智能化測(cè)量、柔性集成制造系統(tǒng)、無(wú)人加工車間 方向發(fā)展更進(jìn)一步。隨著電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，CCD傳感器作為電腦前端和圖象 輸入系統(tǒng)， 它將以不可阻擋的發(fā)展勢(shì)頭深入到各種電腦應(yīng)用的方方面面。 在軍事 上, CCD圖像傳感器（尤其是非可見光圖像傳感器，如 X射線成像器，電子束成 像器。紅外線成像器 ）的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。它主要應(yīng)用于夜視 （微光夜視、紅外夜 視）、實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)戰(zhàn)術(shù)偵察 機(jī)載預(yù)警、導(dǎo)彈自動(dòng)跟蹤、高速飛行目標(biāo)的軌跡測(cè) 量等方面。并必將對(duì)現(xiàn)代軍事工程技術(shù)產(chǎn)生巨大的影響。結(jié)束語(yǔ)：CCD經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)35年的發(fā)展，大致的形狀