CCD圖像傳感器原理及應用

CCD圖象傳感器的應用技術

－尺寸測量

光學工程王春誼

一、圖像傳感器的歷史

早在1873年，約瑟·美(JosephMay)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發(fā)現了硒元素結晶體感光后能產生電流，這是電子影像開展的開始。以后陸續(xù)創(chuàng)造了幾種不同類型的圖像傳感器。其中有20世紀50年代誕生的光學倍增管(PhotoMultiplierTube，簡稱PMT)和70年代出現的電荷耦合裝置(ChargeCoupledDevice，簡稱CCD)。20世紀末，又有三種新型的圖像傳感器問世了，其中比較普遍應用的是互補氧化金屬半導體(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，簡稱CMOS)。

PMT

PMT從五十年代開展到現在，技術已經非常成熟。它的形狀就像一個圓柱體的小燈泡，直徑約一寸，長度約二寸；內置多個電極，將進入的光信號轉化為電信號，最高動態(tài)范圍可達4.2，而且它非常耐用，可以運作十萬小時以上。但是由于它的造價相當高，目前只是應用于專業(yè)的印刷、出版業(yè)的掃描儀及工程分析。

CMOS

CMOS技術已開展了數十年，CPU和內存便是由CMOS組成。但直到1998年它才被用于制作圖像傳感器。CMOS的優(yōu)點是結構比CCD簡單，耗電量只有普通CCD的1/3左右，并且它的制造本錢比CCD要低。自從佳能公司在專業(yè)數碼單反相機EOSD30中采用了CMOS以來，已經有越來越多的數碼單反相機使用它，目前數碼單反相機中幾乎有一半采用CMOS作為圖像傳感器。CCD CCD是美國貝爾實驗室于1969年創(chuàng)造的，與電腦晶片CMOS技術相似，也可作電腦記憶體及邏輯運作晶片。CCD是一種特殊的半導體材料，它是由大量獨立的感光單元按照矩陣形式排列組成的。CCD的感光能力比PMT低，但近年來CCD技術有了長足的進步。由于CCD的體積小、造價低，所以廣泛應用于掃描儀、數碼相機及數碼攝像機中。目前大多數數碼相機采用的圖像傳感器都是CCD。

CCD本身是不能分辨顏色的，所以，在實際應用時需要使用色彩濾鏡，一般情況下就是在CCD器件的濾鏡層涂上不同的顏色，其色塊按G-R-G-B(綠-紅-綠-藍)的順序排列，使每一片濾鏡單元下的感光單元感應不同的顏色。

例如，在一個130萬像素的CCD上，有325000個像素感應紅色，325000個像素感應藍色，650000個像素感應綠色。在一個使用這種CCD的分辨率為1280x1024的數碼相機中，有640x512個紅色像素、640x512個藍色像素和640x1024個綠色像素，綠色像素多一點，是因為人類眼睛對綠色的敏感性和對其它顏色不一樣。最后在記錄圖像時，每個像素的真實色彩就是它與周圍像素象混合的平均值。目前大多數數碼相機都是采用這種CCD。

1．小型化黑白、彩色TV攝像機

二、CCD傳感器應用領域2．通訊系統3．光學字符識別4．工業(yè)檢測與自動控制5．醫(yī)學標本分析與檢測〔如血細胞分析儀〕，6．天文觀測7．軍事上應用

三、圖像傳感器應用技術

----尺寸測量

信號的二值化處理CCD傳感器光敏單元的輸出可以看成“0”、“1”信號,通過對輸出為“0”的信號進行計數,即可測出物體的寬度。這就是信號的二值化處理。實際應用時,物像邊緣交界處光強是連續(xù)變化的,而不是理想的階躍跳變,要解決這一問題可用兩種方法:比較整形法;或者微分法。

比較整形法計數脈沖CCD低通濾波比較器計數顯示參考電平+－比較器輸出CCD輸出濾波輸出參考電平tt10n個脈沖在低電平期間對計數脈沖進行計數,從而得np。微分法

低通濾波微分絕對值微分過零觸發(fā)二值化CCD視頻信號濾波后CCD視頻信號AA，微分絕對值微分過零觸發(fā)二值化信號OOOOOOtttttt微分法波形圖微小尺寸的檢測

He-Ne信號讀出信號處理時鐘發(fā)生控制器計數顯示器透鏡細絲線陣CCDLθ0123XkSdL

遠場條件L﹥﹥d2/λ

d=Kλ/SinθS的測量方法

S=ns·pVn誤差分析d===

小尺寸的檢測

信號處理計數顯示控制器Ln·pL==(

+1)·np

例子：鋼珠直徑，小軸承內外徑，小軸徑、孔徑，小玻璃管直徑，微小位移測量，機械振動測量。大尺寸檢測〔或高精度工件檢測〕CCD2公稱尺寸L0右誤差LXCCD1abθββCCD1CCD2CCD3LC=L0+LL+LXθ有誤差位置無誤差位置結語圖像傳感器用于尺寸測量的技術是非常有效的非接觸檢測技術,被廣泛應用于各種加工件的在線檢測和高精度、高速度檢測技術領域。由于CCD圖像傳感器具有高分辨率、高靈敏度、象素位置信息強、結構緊湊等特征，因而，由線陣CCD、光學成像系統、計算機數據采集和處理系統構成的尺寸測量儀器，具有高精度、速度快、應用方便等特點，是現有機械式、光學式和電磁式測量儀器無法比較的。

參考文獻:[1]王慶有.圖像傳感器應用技術.北京:電子工業(yè)出版社2003[2]范志剛.光電檢測技術北京:電子工業(yè)出版社2004.[3]