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文檔簡介

1、CCDCCD圖象傳感器的應用技術圖象傳感器的應用技術 尺寸測量尺寸測量光學工程光學工程 王春誼王春誼一、圖像傳感器的歷史一、圖像傳感器的歷史 早在早在18731873年,約瑟年,約瑟美美(Joseph May)(Joseph May)及偉洛比及偉洛比史密史密夫夫(WilloughbySmith)(WilloughbySmith)就發現了硒元素結晶體感光后能產就發現了硒元素結晶體感光后能產生電流,這是電子影像發展的開始。以后陸續發明了幾生電流,這是電子影像發展的開始。以后陸續發明了幾種不同類型的圖像傳感器。其中有種不同類型的圖像傳感器。其中有2020世紀世紀5050年代誕生的年代誕生的光學倍增管

2、光學倍增管(Photo Multiplier Tube(Photo Multiplier Tube,簡稱,簡稱PMT)PMT)和和7070年年代出現的電荷耦合裝置代出現的電荷耦合裝置(Charge Coupled Device(Charge Coupled Device,簡稱,簡稱CCD)CCD)。2020世紀末,又有三種新型的圖像傳感器問世了,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其中比較普遍應用的是互補氧化金屬半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor(Complementary Metal Oxide S

3、emiconductor,簡稱,簡稱CMOS)CMOS)。 PMTPMT PMTPMT從五十年代發展到現在,技術已經非常從五十年代發展到現在,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,最高動態范圍可達入的光信號轉化為電信號,最高動態范圍可達4.24.2,而且它非常耐用,可以運作十萬小時以,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,目前只是應用上。但是由于它的造價相當高,目前只是應用于專業的印刷、出版業的掃描儀及工程分析。于

4、專業的印刷、出版業的掃描儀及工程分析。CMOSCMOS CMOSCMOS技術已發展了數十年,技術已發展了數十年,CPUCPU和內存便是和內存便是由由CMOSCMOS組成。但直到組成。但直到19981998年它才被用于制作圖年它才被用于制作圖像傳感器。像傳感器。CMOSCMOS的優點是結構比的優點是結構比CCDCCD簡單,耗簡單,耗電量只有普通電量只有普通CCDCCD的的1/31/3左右,并且它的制造成左右,并且它的制造成本比本比CCDCCD要低。自從佳能公司在專業數碼單反要低。自從佳能公司在專業數碼單反相機相機EOS D30EOS D30中采用了中采用了CMOSCMOS以來,已經有越來以來,已

5、經有越來越多的數碼單反相機使用它,目前數碼單反相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機中幾乎有一半采用CMOSCMOS作為圖像傳感器。作為圖像傳感器。 CCDCCDCCDCCD是美國貝爾實驗室于是美國貝爾實驗室于19691969年發明的,與年發明的,與電腦晶片電腦晶片CMOSCMOS技術相似,也可作電腦記憶體及技術相似,也可作電腦記憶體及邏輯運作晶片。邏輯運作晶片。CCDCCD是一種特殊的半導體材料,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它是由大量獨立的感光單元按照矩陣形式排列組成的。組成的。CCDCCD的感光能力比的感光能力比PMTPMT低,但

6、近年來低,但近年來CCDCCD技術有了長足的進步。由于技術有了長足的進步。由于CCDCCD的體積小、的體積小、造價低,所以廣泛應用于掃描儀、數碼相機及造價低,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像傳感器都是CCDCCD。 CCDCCD本身是不能分辨顏色的,所以,在實際應用時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,一般情況下就是在需要使用色彩濾鏡,一般情況下就是在CCDCCD器件的濾鏡器件的濾鏡層涂上不同的顏色,其色塊按層涂上不同的顏色,其色塊按G-R-G-B(G-R-G-B(綠綠- -紅紅

7、- -綠綠- -藍藍) )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。的顏色。例如,在一個例如,在一個130130萬像素的萬像素的CCDCCD上,有上,有325000325000個像個像素感應紅色,素感應紅色,325000325000個像素感應藍色,個像素感應藍色,650000650000個像素個像素感應綠色。在一個使用這種感應綠色。在一個使用這種CCDCCD的分辨率為的分辨率為1280 x10241280 x1024的數碼相機中,有的數碼相機中,有640 x512640 x512個紅色像素、個紅色像素、640 x512640 x51

8、2個藍個藍色像素和色像素和640 x1024640 x1024個綠色像素,綠色像素多一點,是個綠色像素,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素象混合的平均值。目前大多數數碼相機都是采用這種CCDCCD。 1 1小型化黑白、彩色小型化黑白、彩色TVTV攝像機攝像機 二、二、CCDCCD傳感器應用領域傳感器應用領域2 2傳真通訊系統傳真通訊系統3 3光學字符識別光學字符識別4 4

9、工業檢測與自動控制工業檢測與自動控制5 5醫學標本分析與檢測(如血細胞分析儀),醫學標本分析與檢測(如血細胞分析儀),6 6 天文觀測天文觀測7 7 軍事上應用軍事上應用 三三、圖像傳感器應用、圖像傳感器應用技術技術 -尺寸測量尺寸測量信號的二值化處理信號的二值化處理 CCD CCD傳感器光敏單元的輸出可以看成傳感器光敏單元的輸出可以看成“0”0”、“1”1”信號信號, ,通過對輸出為通過對輸出為“0”0”的信號進行計數的信號進行計數, ,即可測出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變化的物像邊緣交界

10、處光強是連續變化的, ,而不是理想的階而不是理想的階躍跳變躍跳變, ,要解決這一問題可用兩種方法要解決這一問題可用兩種方法: :比較整形法比較整形法; ;或者或者 微分法。微分法。 比較整形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 。微分法微分法低通濾波微分絕對值微分過零觸發二值化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二值化信號OOOOOOtttttt微分法波形圖微小尺寸的檢測微小尺寸的檢測 He-Ne信號讀出信號處理時鐘發生控制器計數顯示器透鏡細絲線陣CCD

11、L0123XkSdL 遠場條件遠場條件L Ld d2 2/ d=K/Sin d=K/Sin S S的測量方法的測量方法 S=nspVn誤差分析d= = = KXLKKXLK/SL SSLLSSLd2小尺寸的檢測小尺寸的檢測 信號處理計數顯示控制器Lnp L=( +1)np fa 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)大尺寸檢測(或高精度工件檢測) CCD2公稱尺寸L0右誤差LXCCD1結結 語語 圖像傳感器用于尺寸測量的技術是非常有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效的非接觸檢測技術, ,被廣泛應

12、用于各種加工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。件的在線檢測和高精度、高速度檢測技術領域。由于由于CCDCCD圖像傳感器具有高分辨率、高靈敏度、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,由象素位置信息強、結構緊湊等特征,因而,由線陣線陣CCDCCD、光學成像系統、計算機數據采集和、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、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擬的。學式和電磁式測量儀器無法比擬的。 參考文獻參考文獻: :1 1 王慶有王慶有. . 圖像傳感器應用技術圖像傳感器應用技術. . 北京北京: :電子工業出版社電子工業出版社 200320032 2 范志剛范志剛. . 光電檢測技術光電檢測技術 北京北京: :電子工業出版社電子工業出版社 2004.2004.3 3 彭軍彭軍. . 傳感器與檢測技術傳感器與檢測技術. . 西安:西

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