CCD图像传感器原理及应用

CCD图象传感器的应用技术

－尺寸测量

光学工程王春谊

一、图像传感器的历史

早在1873年，约瑟·美(JosephMay)及伟洛比·史密夫(WilloughbySmith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，这是电子影像开展的开始。以后陆续创造了几种不同类型的图像传感器。其中有20世纪50年代诞生的光学倍增管(PhotoMultiplierTube，简称PMT)和70年代出现的电荷耦合装置(ChargeCoupledDevice，简称CCD)。20世纪末，又有三种新型的图像传感器问世了，其中比较普遍应用的是互补氧化金属半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，简称CMOS)。

PMT

PMT从五十年代开展到现在，技术已经非常成熟。它的形状就像一个圆柱体的小灯泡，直径约一寸，长度约二寸；内置多个电极，将进入的光信号转化为电信号，最高动态范围可达4.2，而且它非常耐用，可以运作十万小时以上。但是由于它的造价相当高，目前只是应用于专业的印刷、出版业的扫描仪及工程分析。

CMOS

CMOS技术已开展了数十年，CPU和内存便是由CMOS组成。但直到1998年它才被用于制作图像传感器。CMOS的优点是结构比CCD简单，耗电量只有普通CCD的1/3左右，并且它的制造本钱比CCD要低。自从佳能公司在专业数码单反相机EOSD30中采用了CMOS以来，已经有越来越多的数码单反相机使用它，目前数码单反相机中几乎有一半采用CMOS作为图像传感器。CCD CCD是美国贝尔实验室于1969年创造的，与电脑晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料，它是由大量独立的感光单元按照矩阵形式排列组成的。CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD技术有了长足的进步。由于CCD的体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的图像传感器都是CCD。

CCD本身是不能分辨颜色的，所以，在实际应用时需要使用色彩滤镜，一般情况下就是在CCD器件的滤镜层涂上不同的颜色，其色块按G-R-G-B(绿-红-绿-蓝)的顺序排列，使每一片滤镜单元下的感光单元感应不同的颜色。

例如，在一个130万像素的CCD上，有325000个像素感应红色，325000个像素感应蓝色，650000个像素感应绿色。在一个使用这种CCD的分辨率为1280x1024的数码相机中，有640x512个红色像素、640x512个蓝色像素和640x1024个绿色像素，绿色像素多一点，是因为人类眼睛对绿色的敏感性和对其它颜色不一样。最后在记录图像时，每个像素的真实色彩就是它与周围像素象混合的平均值。目前大多数数码相机都是采用这种CCD。

1．小型化黑白、彩色TV摄像机

二、CCD传感器应用领域2．通讯系统3．光学字符识别4．工业检测与自动控制5．医学标本分析与检测〔如血细胞分析仪〕，6．天文观测7．军事上应用

三、图像传感器应用技术

----尺寸测量

信号的二值化处理CCD传感器光敏单元的输出可以看成“0”、“1”信号,通过对输出为“0”的信号进行计数,即可测出物体的宽度。这就是信号的二值化处理。实际应用时,物像边缘交界处光强是连续变化的,而不是理想的阶跃跳变,要解决这一问题可用两种方法:比较整形法;或者微分法。

比较整形法计数脉冲CCD低通滤波比较器计数显示参考电平+－比较器输出CCD输出滤波输出参考电平tt10n个脉冲在低电平期间对计数脉冲进行计数,从而得np。微分法

低通滤波微分绝对值微分过零触发二值化CCD视频信号滤波后CCD视频信号AA，微分绝对值微分过零触发二值化信号OOOOOOtttttt微分法波形图微小尺寸的检测

He-Ne信号读出信号处理时钟发生控制器计数显示器透镜细丝线阵CCDLθ0123XkSdL

远场条件L﹥﹥d2/λ

d=Kλ/SinθS的测量方法

S=ns·pVn误差分析d===

小尺寸的检测

信号处理计数显示控制器Ln·pL==(

+1)·np

例子：钢珠直径，小轴承内外径，小轴径、孔径，小玻璃管直径，微小位移测量，机械振动测量。大尺寸检测〔或高精度工件检测〕CCD2公称尺寸L0右误差LXCCD1abθββCCD1CCD2CCD3LC=L0+LL+LXθ有误差位置无误差位置结语图像传感器用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测技术,被广泛应用于各种加工件的在线检测和高精度、高速度检测技术领域。由于CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度、象素位置信息强、结构紧凑等特征，因而，由线阵CCD、光学成像系统、计算机数据采集和处理系统构成的尺寸测量仪器，具有高精度、速度快、应用方便等特点，是现有机械式、光学式和电磁式测量仪器无法比较的。

参考文献:[1]王庆有.图像传感器应用技术.北京:电子工业出版社2003[2]范志刚.光电检测技术北京:电子工业出版社2004.[3]