CCD传感器构成的检测系统

1、作业1：采用CCD传感器可以构成图像检测系统，目前已经得到了广泛应用，请 说明CCD传感器的工作原理或试举例说明采用CCD构成的检测系统。图像传感器是利用光电器件的光一电转换功能，将其感光面上的光像转换为 与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件。固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存 器构成的集成化、功能化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”，它 们本身在空间上、电气上是彼此独立的。固态图像传感器利用光敏单元的光电转 换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间 分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布。然后利用

2、移位寄存器 的功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的 时序脉冲序列。固态图像传感器与普通的图像传感器比，具有体积小、失真小、灵敏度高、 抗振动、耐潮湿、成本低的特点。这些特色决定了它可以广泛用于自动控制和自 动测量，尤其是适用于图像识别技术中。本文从分析固态图像传感器的原理出发， 着重对它在测控及图像识别领域进行分析和探讨。电荷耦合器件（Charge Couple Devices，简称CCD），是固态图像传感器的 敏感器件，与普通的 MOS、TTL 等电路一样，属于一种集成电路，但 CCD 具有 光电转换、信号储存、转移（传输）、输出、处理以及电子快门等多种独特功

3、能。电荷耦合器件 CCD 的基本原理是在一系列 MOS 电容器金属电极上，加以 适当的脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进 而达到信号电荷（少数载流子）的转移。如果所转移的信号电荷是由光像照射产 生的，则 CCD 具备图像传感器的功能；若所转移的电荷通过外界注入方式得到 的，则CCD还可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。下面介绍一种光重心法在多线阵 CCD 检测系统中的应用：LAMOST （大天区面积多目标光纤光谱望远镜）项目是我国正在进行的重大 科学工程项目。由于LAMOST光纤定位子系统安装好后不能接触、不能移动、需 实时在线测量，我们提出了用多

4、个线阵CCD组成的极坐标旋转扫描来检测的思 想。这个实验为前期的验证性实验，实验中只用3个CCD来测定光纤点位置， 并采用光重心法对采集到的光斑信号进行处理。对检测系统来说，稳定性是一个 非常重要的指标，良好的系统稳定性是保证高质量检测的前提和基础，对检测系 统具有重要意义，一个不稳定的系统是不可能得到高精度的检测结果。首先讨论 了系统的静态稳定性，其次提出系统动态稳定性的概念，即光纤间距离在运动中 的测量稳定性。系统的搭建 根据我们实验的技术要求以及实验室的实际情况，我们搭建的测量系统如下 图所示。主要有五个大部分组成：控制主机，图像采集卡，拍摄结构，光点座以 及光源。拍摄部分的CCD和驱动

5、器固定在自行设计的扫描梁上。简单介绍如下：（1）控制主机。其功能主要通过一系列的软件来实现，女WisualC+,photoshop， Matlab7.0,等一些应用软件，以及我们自行开发的用以实现数据处理功能的程 序；（2）图像采集卡采用的是天津耀辉公司配套的专用线阵CCD采集卡AD08Q- PCI。 PCI接口，四路独立并行采集，采样速度5MHz，采样精度8bit；（3）PRS103 型精密旋转台精密旋转台，最小读数：2，可以精密的知道扫描梁 的旋转角度；（4）自行设计的扫描梁，在上面布有三个线阵CCD,使线阵CCD的有效单元覆 盖整个光纤座的径向，使扫描梁在扫描时能对整个光纤座的径向位置进

6、行检测（上面装有线阵CCD和驱动电路，本实验采用的CCD型号为TCD1209D）；（5）光点座：根据实验条件和初步实验要求，我们选用实验室已有设备：阿贝 比长仪。将装有光纤的光点座固定到比长仪的平移台上，做为被测目标；（6）光源：为了保证实验结果，要求被采集的光斑要有一定的稳定性和均匀性， 我们决定采用积分球做光源。系统的工作原理2.1 CCD扫描梁结构为了让CCD能没有遗漏的拍摄范围内的所有位置，我们把 三片线阵CCD沿光点座径向交错排列，构成CCD扫描梁，如图1所示。由图可 见，三个CCD在梁上错位排列，其有效感光单元之间在径向上存在一定的重叠 区，以保证线阵CCD的有效感光单元覆盖整个光

7、点座的径向，使扫描梁在扫描 时能对整个光点座上的光点径向位置进行检测。实验旋转架图】扫描梁结构示意图旋菇轴CCD象元羔面板线实验旋转架图】扫描梁结构示意图旋菇轴CCD象元羔面板线阵饥! 有效光 精密症转台敏元人打描聲线阵优D2.2 系统工作原理系统工作时，精密旋转台驱动扫描梁绕光点座旋转，线阵CCD对光纤射出 的光斑进行光电转换，通过模数转换（A/D ）转换得到数字信号，再由微处理器 进行处理，从而得到光纤端部的径向位置，由精密旋转台读出角度位置。每旋转 一个微小角度，扫描梁上的线阵CCD对光纤出射的光斑进行一次光采样，从精 密旋转台记录一次角度值，最后用“光重心法”处理光斑的特征点获取光纤出

8、射 光斑的中心。光重心法我们知道测量系统检测的是光纤的位置坐标，虽然光纤很细，但它的端面是 一个面而非一个点，这样我们为了确定光纤的坐标，必须要在光纤端面上找到一 个特征点，且该点在光纤运动过程中相对端面是固定不动的，这样我们就能用该 特征点的坐标来代表光纤的坐标。在实际测量中利用线阵CCD对光纤端面进行 扫描，获取光纤出射光斑的光强分布，理论上光纤出射光强分布近似于二维高斯 分布（见图2），我们分别在X，y两个方向上对光强取矩，可以得到类似于物体 重心的光斑光强重心，简称“光重心”。可以用光重心作为光纤的特征点，相对于其它方法如“最大值法”、“截止电压法”、“拟合曲线重心法”，此方法原理简

9、单，计算方便，且有较高的精度。测量系统中扫描梁是旋转工作的，分度采集获取的光斑坐标为极坐标值。在 直角坐标下，其微元面积Si是不变的，而在极坐标系下光重心算法的难点就在 于光强采集点的疏密是不均匀的，这样就促使微元的划分也不均匀，且微元划分 方法的不同也会造成计算精度的偏差。我们采取了，如图3 所示（阴影区域）的 划分方法，微元坐标就取为微元的中心（微元近似为一个矩形）。Si图3 CCD釆集光斑图从图3中的几何关系可以推导出微元面积为：氐尸卩牟2一 笔丄）g+K+斗比 （Rfl+K- -i-）2= QrrQhi gCR+K）所以，光斑沿X方向上的重心坐标为：X Si.gVt2igxtl X T

10、OC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 罠=二X闊皿X Qh- QJ *轉K）吨krik.i式中:活一采得光斑的灰度值a光斑沿y方向上的重心坐标为：X龟gv佥郎一i X QQd吨i d+KP sin （Q）丫丄 =- （3）X区銅X Qh- Qi -歸o皿kriIc.i式中：Q线阵CCD进行采集时刻的角度（此值可有精密旋转台读出）；K CCD像元在CCD上的序号，由于每个像元的长度为14Mm，为了方便计算， 推导中的长度单位都用像元来计量。在（1）式中引入了一个重要参量R。一线阵 CCD到系统旋转中心的距离；R0+1CCD上第

11、1个像元的半径；R0+KCCD上 第K个像元的半径。在采集系统中，K值可以很容易得到。由于CCD有外封装 并且旋转中心只是一个虚拟点， R0 无法直接测得，我们通过一些实验进行标定 获得三个CCD 的R。分别为：0.800mm、26.562mm、51.636mm。稳定性试验及结果由于项目中要求光纤定位单元的定位精度不大于40!m，而一个良好的系统 稳定性是保证高质量检测的前提和基础，对检测系统具有重要意义。所以对系统 进行稳定性实验是不可缺少的。4.1 静态稳定性接通CCD电源，预热30min,达到热平衡后，打开光源，开始拍摄光斑。采 用相同的步距（分度次数光斑直径/步距），在相同的坐标上对同

12、一个光斑连续 进行15次采集，获得同一光斑在CCD移动方向上的坐标值，对其分析，结果如 表1 所示。表1同一光斑在CCD移动方向上的坐标值的分析结果步Ep分度抉数标准苣T| LO?0.2072.390.600.1592.060.550.10141.440.440.05281.180.32从表数据可以明显看出，当步距减小，分度采集次数增加时，光斑坐标的稳定性 越好，误差越小。这是由于步距减小后，采集次数增多，使得平均化效果更显著， 对光强微小变化越不敏感，从而减小了随机误差，使稳定性提高。4.2 动态稳定性以步距d对光斑进行一次性扫描采集，采集结束后，CCD偏移后仍以步距 d光斑进行采集，当增大

13、到与d相等时，采集到的信息和第一次相同，一个周 期结束，如图4所示。偏移值=d/10,数据长度为一个周期。4.3 结果分析 将每种步距下误差数据列表，并且引入静态标准差作比较，如表2 所示 表2 每种步距下误差数据列表擁di. nrmi)懾轉扱差Lun)动态标准差化(H hl)荫态标差”(Um)(num ：分度决敎0.200.0206-714.034.860.600.150.0158-910.503.670.550.100.01013-143.471.080.440.050.00527-282.110.560.32从几幅曲线图可以看出，当步距较大时，很明显坐标值变化是有周期性的， 这符合前面的设想。而当步距逐渐变小后，这种周期性变化越来越不明显，以至 于步距d=0.05mm的时候，基本看不出有周期变化趋势，这是由于在实验的过程 中，光纤本身光强分布的变化、周围各种干扰始终都是存在的，使得动态误差中 包含了静态误差。分析表2，进行动态标准差与静态标准差比较，可以发现，步距大的时候， 动态标准差比静态标准差大很多，随机的静态误差所占的比重很小，这时坐标值 很明显有周期性变化，而当步距减小后，静态误差所占比重也加大，步距 d=0.05mm 时，随机的静态误差比重已经超过了一半，再加上步距的随机误差， 坐标值变化的周期性当然不明显了。动态误差