光电成像系统课件

光电成像系统1

本章内容电荷耦合摄像器件(CCD器件)CCD器件的性能参数

CCD器件的应用

第5章光电成像系统

电荷耦合摄像器件(CCD器件)光电成像系统的基本组成

物体(信号源)传输介质光学系统(信号分析器)光电摄像器件(信号变换器)显示器人眼光源光信号光信号光信号信号信号背景噪声背景噪声噪声噪声成像转换过程有四个方面的问题需要研究：能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题成像特性——能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性信息传递速率方面

成像特性、噪声——信息传递问题，决定能被传递的信息量大小光电成像器件是光电成像系统的核心光电成像器件的发展近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器、现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、遥测技术、图形图像测量技术和监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。1934年研制出光电像管，应用于室内外的广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000lx的照度，这使它的应用范围受到很大限制。1947年超正析摄像管面世，使最低照度降至2000lx。1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高，但不是适用于高速场合和彩色应用。1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。1976年前后，又相继出现灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。1970年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（CCD）原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段——CCD固体摄像器件的发展阶段。光电成像器件的发展近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器、现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、遥测技术、图形图像测量技术和监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。1934年研制出光电像管，应用于室内外的广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000lx的照度，这是它的应用范围受到很大限制。1947年超正析摄像管面世，使最低照度降至2000lx。1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高，但不是适用于高速场合和彩色应用。1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。1976年前后，又相继出现灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。1970年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（CCD）原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段——CCD固体摄像器件的发展阶段。一般情况：夏日阳光下为100000LUX；阴天室外为10000LUX；室内日光灯为100LUX；距60W台灯60cm桌面为300LUX；电视台演播室为1000LUX；黄昏室内为10LUX；夜间路灯为0.1LUX；烛光（20cm远处）10～15LUX。摄像器件分类：内光电导效应型外光电效应型光电像管Iconoscope超光电像管superIconoscope正析像管Orthicon超正析像管super

Orthicon视像管Vidcon氧化铅管Plumbicon硒砷锑管Saticon硅靶管电子管固体摄像器件MOS摄像器件CCD摄像器件(吸收光发出自由电子)

光电成像系统按波长还可分为可见光（含微光条件）、紫外光及红外光光电成像系统。

固体摄像器件：无须扫描和聚焦(按像素移位)、光谱响应宽、功耗低、可集成处理电路、体积小，是图像传感器的主要发展方向。电荷耦合器件的基本结构构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器

电荷耦合器件（CCD）与其他器件相比，最突出的特点是以电荷为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和转移，CCD的工作过程就是电荷的产生、存储、传输和检测的过程。1.电荷耦合器件的基本原理(1)电荷产生光辐射1.电荷耦合器件的基本原理

构成CCD的基本单元是MOS电容器，MOS电容器能够存储电荷。表面势

耗尽层

开启电压

深度耗尽状态(2)电荷存储表面势势阱1.电荷耦合器件的基本原理(2)电荷存储

势阱的功能：存储信号电荷暗电流电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。演示1.电荷耦合器件的基本原理(2)电荷存储

典型的三相CCD结构,三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲；(3)电荷转移

完成电荷转移的CCD主要有两类结构形式：三相CCD结构和两相CCD结构三相时钟脉冲的波形1.电荷耦合器件的基本原理

在t1时刻，

1高电位，

2、3低电位。此时

1电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时己有信号电荷（电子）注入．则电荷就被存储在

1电极下的势阱中。(3)电荷转移

在t2时刻……

在t3时刻……

在t4时刻……三相CCD结构及电荷转移演示1.电荷耦合器件的基本原理

图示为“阶梯氧化层”两相结构。每一相电极下的绝缘层为阶梯状，由此形成的势阱也为阶梯状。(3)电荷转移两相CCD结构及电荷转移两相时钟波形电荷包的转移过程

在t1时刻……

在t2时刻……

在t3时刻……表面沟道器件，SCCD(SurfaceChannelCCD)体内沟道器件，BCCD(BulkorBuriedChannelCCD)1.电荷耦合器件的基本原理

电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最广泛。

“浮置扩散输出”原理结构:输出结构包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复位栅R、复位漏RD以及输出场效应管T等。

所谓“浮置扩散”’是指在p型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n区域，当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作“浮置扩散区”。(4)电荷检测1.电荷耦合器件的基本原理t1时刻t2时刻t3时刻t4时刻t5时刻电荷包输出过程：FD区电位变化量：1.电荷耦合器件的基本原理(4)电荷检测2.电荷耦合摄像器件的工作原理

将CCD电荷存储、电荷转移的概念与半导体的光电性质相结合，导致了CCD摄像器件的出现。

电荷耦合器件有多种分类方法：按结构分线阵CCD和面阵CCD；按光谱分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD。可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD(1)线阵CCD

线阵CCD分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但性能略有差别。

单沟道传输用于低位数CCD传感器。它的光敏单元与CCD移位寄存器SR分开，用转移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图形。积分周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器SR的响应单元内。转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。而已转移到移位寄存器的上一行信号电荷，通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。(a)单沟道传输结构演示2.电荷耦合摄像器件的工作原理

线阵CCD分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但性能略有差别。双沟道传输结构光敏单元在中间，其奇偶单元的信号电荷分别传送到上、下两列移位寄存器后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。这种方案的优点是光敏单元有较高的封装密度，转移次数减少一半，可提高转移效率，改善图像传感器性能。(b)双沟道传输结构(1)线阵CCD2.电荷耦合摄像器件的工作原理(1)线阵CCD2.电荷耦合摄像器件的工作原理

D13...D62D63S1S2S3光电二极管........转移栅2转移栅1S2158S2159D64D73D74S2160...CCD移位寄存器2CCD移位寄存器1D14D15信号输出缓冲级补偿输出缓冲级2122361921OSDOSODF1F2SHSS(2)面阵CCD

行间转移结构采用光敏区与转移区相间排列方式，相当于将若干个单沟道传输的线阵CCD图像传感器按垂直方向并排，再在垂直阵列的尽头设置一条水平CCD，水平CCD的每一位与垂直列CCD一一对应、相互衔接。在器件工作时，每当水平CCD驱动一行信息读完，就进入行消隐，在行消隐期间，垂直CCD向上传输一次，即向水平CCD转移一行信号电荷，然后，水平CCD又开始新的一行信号读出，以此循环，直至将整个一场信号读完，进入场消隐。在场消隐期间，又将新的一场光信号电荷从光敏区转移到各自对应的垂直CCD中。然后，又开始新一场信号的逐行读出。常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构。演示2.电荷耦合摄像器件的工作原理

帧转移结构由三部对组成；光敏区、存储区、水平读出区。这三部分都是CCD结构，在存储区及水平区上面均由铝层涵盖，以实现光屏蔽；光敏区与存储区CCD的列数及位数均相同，而且每一列是相互衔接的。不同之处是光敏区面积略大于存储区，当光积分时间到后．时钟A与B均以同一速度快速驱动．将光敏区的一场信息转移到存储区。然后，光敏区重新开始另一场的积分；时钟A停止驱动，一相停在高电平，另一相停在低电平。同时，转移到存储区的光信号逐行向水平CCD转移，再由水平CCD快速读出。光信号由存储区到水平CCD的转移过程与行间转移面阵CCD相同。演示(2)面阵CCD2.电荷耦合摄像器件的工作原理(3)彩色CCD

为了形成彩色信号，彩色CCD摄像机目前主要有三片式和单片式两种；

薄膜分色原理只要选择合适的d、n1、n0等参量使得入射光I1和反射光I2在某

些波长同相位，这些光被相加输出；另一些波长光相位相反，这些光被抵消无输出。2.电荷耦合摄像器件的工作原理

为了形成彩色信号，彩色CCD摄像机目前主要有三片式和单片式两种；

三片式CCD是传统的摄像方式，该方式用分色棱镜将入射光分成红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色。然后由配置在后面的CCD器件转换为电信号。三片式CCD成像质量好，主要用于电视台等高质量的摄像机。

演示(3)彩色CCD2.电荷耦合摄像器件的工作原理三片式CCD

单片式CCD彩色摄像机结构简单、价格较低，是目前工业、家用摄像机中占统治地位的彩色摄像机。单片式彩色CCD的关键是滤色器阵列。图示是两种常用的滤色器形式，拜尔(Bayer)方式滤色器中，从色单元的数量看绿色信号占了一半，而红蓝色单元则占另一半，在这种方式中亮度信号从绿色单元中取出。这种排列方式在行间转移CCD器件和隔行读出的其他器件中，由于奇数场只能取出R、G信号，而偶数场只能取出G、B信号，因此重现的彩色图像会引起红、蓝闪烁。行间排列的滤色器方式中，绿色单元的位置和数量均不变化，而使红、蓝色在各行都有，显然这种方式可以克服拜尔方式滤色器的缺陷。(3)彩色CCD2.电荷耦合摄像器件的工作原理光电成像系统27

转移效率

是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有

部分的电荷转移过去，余下

部分没有被转移，

称转移损失率。根据电荷守恒原理：1.转移效率和转移损失率

一个电荷量为Q0的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量为：

即总效率为：

由于CCD中的信号电荷包大都要经历成百上千次的转移，即使

值几乎接近l．但其总效率往往很低，如二相1024位器件，当

=0.999时，总效率不到0.13，所以，一定的

值，限定了器件的最长位数。在达到同样高的总效率下，埋沟CCD可以研制的位数比表面沟道大得多。CCD器件的性能参数

“胖零”工作模式

“胖零”工作模式CCD器件的性能参数1.转移效率和转移损失率注入信号电荷从一个电极到另一个电极的转移时间t必须小于少数载流子的平均寿命

i，对三相CCD，2.驱动频率和积分时间CCD器件的性能参数驱动频率指加在CCD移位寄存器转移栅上的驱动脉冲的频率；驱动频率下限、载流子平均寿命、工作温度的关系。驱动频率下限T应大于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间

g，即CCD器件的性能参数

g与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质的浓度和温度等因素有关。驱动频率上限P沟道CCD三相多晶硅N沟道CCD2.驱动频率和积分时间CCD器件的性能参数积分时间2.驱动频率和积分时间非均匀性定义:

任何光电转换阵列，如CCD、IRFPA、CMOS图像传感器，由于制作材料的缺陷、掺杂的非均匀性以及生产工艺过程控制的不稳定等，在集成电路工艺上都不可能是每个像元绝对一样,造成了不同像元在同一均匀入射辐射下，其视频输出信号幅度不同，这就是所谓的阵列器件响应的非均匀性（Nonuniformity，NU）。3.不均匀度(非均匀性)

造成这种不均匀的原因很多：光学系统的影响。如镜头的加工精度，镜头的孔径的影响等因素造成的球差、慧差、畸变等。如表现为中间亮四周暗或辐照分布不均匀等。阵列中各像元的响应特性不一致。这种不一致是由制造过程中的随机性引起的，如制作材料的缺陷、掺杂的非均匀性以及生产工艺过程控制的不稳定等。阵列外界输入的影响。如探测器的偏置电压、偏置电流的不同，也将造成输出的不均匀性。阵列所处环境温度的变化。环境温度的变化导致衬底温度的变化，从而使非均匀性进一步随环境温度而迅速变化。CCD器件的性能参数CCD的不均匀度用光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值表示。式中，Von为第n个光敏元原始响应的等效电压，为平均原始响应等效电压，N为线列CCD的总位数。其中

由于转移损失的存在，CCD的输出信号Vn与它所对应的光敏元的原始响应Von并不相等。根据总损失公式，在测得Vn后，可求出VonCCD器件的性能参数3.不均匀度(非均匀性)

理想情况下，平行光源照射下采集的图形就应该是一条直线，但实际上并非如此，有些地方有很大的起伏。进行系统校正的目标是把曲线的起伏减小到最小，使它在平行光照射下更接近一条直线。未校正图形校正后的图形CCD器件的性能参数3.不均匀度(非均匀性)objobj实时校正后目标探测效果图

校正方法：一点校正法，两点校正法，三点校正法。

两点校正法基本原理：将采集到的每一个原始数据乘上一个比例因子，再加上一个常数因子，得到的数值就是校正后的数值。它的公式可以表示为：Y=k*y+b。两点校正法主要问题就是如何获得这两组因子，具体做法是：

(1)在两种光强下分别采集数据，得到两种光强下的各像元信号大小及平均值。分别用y1和y2表示这两组信号大小。

(2)计算k=（y2-y1）/（x2-x1），b=y1-k*x1。

(3)计算校正系数；

(4)用校正系数来校正不同光强下采集的数据。只要光源和硬件没有变化，这些校正系数就是有效的。

B

S

A

W

0

U

B¢

S

A¢

W

0

U

B¢¢

S

A¢¢

W

0

U

CCD器件的性能参数3.不均匀度(非均匀性)CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD中暗电流密度的分布是不均匀的。所以，我们通常以平均暗电流密度来表征暗电流大小。暗电流的危害有两个方面：

(1)限制器件的低频限当信号电荷沿着势阱存储与转移时，热激发产生的暗电流每时每刻地加入到信号电荷包中，不仅引起附加的散粒噪声，而且占据愈来愈多的势阱容量。为了减少暗电流的这种影响，应尽量缩短信号电荷的存储与转移时间。所以，暗电流的存在，限制了CCD驱动频率的低频限。

(2）引起固定图像噪声由于CCD光敏元处于积分工作状态，光敏区的暗电流也与光信号电荷一样，在各光敏元中积分，形成一个暗信号图像，叠加到光信号图像上，引起固定图像噪声，尤其是由于工艺的原因或材料的不完整造成某些缺陷，引起高密度的产生复合中心．出现个别暗电流尖峰，将使一幅清晰完整的图像，产生某些“亮条”或“亮点”。CCD器件的性能参数4.暗电流CCD的光电转换特性

灵敏度

曝光量/(Lx,Sec)

输出信号/V

特性曲线的线性段可表示为：

器件工作时，应把工作点选在光电转换特性曲线的线性区内（可调整光强或积分时间来控制）。一般，宜选择工作点接近饱和点，但最大光强又不进入饱和区，这样可提高光电转换精度。CCD器件的性能参数5.光电转换特性及灵敏度（响应度）CCD器件的性能参数5.光电转换特性及灵敏度（响应度）测量方案一：利用面阵光源、成像镜头，将光源放置在光路中距成像镜头较远距离处，这样光源所成的像面积小，因此可近似看作一个点光源，CCD上接收的光强的大小(正比于曝光量的大小)与到点光源距离的平方成反比。光电转换器CCD镜头LED面光源a(>400mm)d10mmB85mmc光具座580mm150mmLSCCD器件的性能参数5.光电转换特性及灵敏度（响应度）测量方案二：使激光器产生的激光通过一个扩束镜，扩束之后的发散光波相当于一个点光源产生的光，同样CCD上接收的光强的大小与到点光源(扩束镜)距离的平方成反比。D约1cm5cm25cm光具座CCD器件的性能参数5.光电转换特性及灵敏度（响应度）测量方案三：采用普通的光源(如一个普通的采用白炽灯的台灯,或手电筒灯泡)，在距离较远的情况下也可近似灯泡看成一个点光源，改变灯泡和CCD之间的距离进行测量。实验1CCD光电转换特性及响应灵敏度测量光源P1P2LCCD示波器调节P2使光功率达到最大值。换上CCD接收光信号，调节CCD与扩束镜的距离使CCD刚好达到饱和，测量出饱和时输出信号VO的大小；沿某一方向转动P3，每转动5

,测量1次VO的大小直到VO基本减小到0为止。CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100％所对应的波长，称峰值波长

max，通常将10％（或更低）的响应点所对应的波长称截止波长。有长波端的截止波长与短波端的截止波长，两种截止波长之间所包括的波长范围称光谱响应范围。TCD1206SUP光谱响应特性曲线CCD器件的性能参数6.光谱响应CCD的噪声可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声和热噪声。

(1)散粒噪声在CCD中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性，也就是围绕平均值上下变化，形成噪声。这种噪声常被称为散粒噪声，它与频率无关，是一种白噪声。

(2)转移噪声转移噪声主要是由转移损失及表面态俘获引起的噪声，这种噪声具有积累性和相关性。积累性是指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的，与转移次数成正比；相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的，因为电荷包在转移过程中，每当有

Q电荷转移到下一个势阱时，必然在原来势阱中留下一减量

Q电荷，这份减量电荷叠加到下一个电荷包中，所以电荷包每次转移要引进两份噪声。这两份噪声分别与前、后相邻同期的电荷包的转移噪声相关，

(3)热噪声热噪声是由于固体中载流子的无规则热运动引起的，在OK以上，无论其中有无外加电流通过，都有热噪声，对信号电荷注入及输出影响最大。以上3种噪声源独立无关，所以CCD的总噪声功率是它们的均方和。CCD器件的性能参数7.噪声

分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力。测试时要用专门的测试卡。一般，图象传感器摄像机的分辨率是指当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器（比摄像机的分辨率要高）上能够看到的最多线数，当超过这一线数时，屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片，而不再能分辨出黑白相间的线条。因此，分辨率这一参数的正确与否尤其重要。

CCD器件的性能参数8.分辨率调制传递函数

分辨率的表示方法虽有专门的测试卡测量而使用方便，但不客观科学。其原因是因为：

①每个人的视觉不一样，观测值带有主观性；

②测试卡的对比度与几何尺寸以及观测时的照度不一样，观测的结果也会有不同。如当被摄图像对比度低于30%时，观测的分辨率值就会明显下降；

③观测的分辨率值是系统的总体特性，而不能分摊到各个部件上。

为此，目前国际上一般均采用调制传递函数（MTF）来表示分辨率。

CCD器件的性能参数8.分辨率调制传递函数

光栅上的一黑一白线条为一“线对”，透过对应光的亮度为一暗一亮，构成调制信号的一个周期，每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率。

设调制信号最大值是Amax，最小值是Amin，则调制度定义为：

调幅波信号通过器件传递到输出端后，通常调制度要受到损失而减小。一般说随空间频率增加，调制度的减小越来越显著。

MTF的定义为：在各个空间频率下，图象传感器的输出信号的调制度与输入光信号调制度的比值：

调制传递函数是空间频率的函数。

MTF随空间频率的增高而减小。在给定的空间频率下，整个系统的MTF等于系统各部分MTF的乘积。即

MTF总=MTF1·MTF2……MTFn

CCD器件的性能参数8.分辨率调制传递函数CCD器件的性能参数8.分辨率调制传递函数CCD器件的性能参数8.分辨率调制传递函数MTF测量方法:光栅成像法CCD器件的性能参数8.分辨率调制传递函数MTF测量方法：单缝衍射法CCD器件的性能参数8.分辨率调制传递函数MTF测量方法：干涉法CCD器件的性能参数8.分辨率调制传递函数成像系统中影响调制传递函数的各个环节(1)光学系统的调制传递函数MTFo；

(2)探测器的MTFd;(3)电子线路的MTFe；

(4)显示器的MTFm；

(5)大气扰动的MTFom；

(6)人眼MTFeye；

动态范围是与信噪比相关的一个特性参数，它反映了器件的工作范围。图像传感器的动态范围是指输出饱和信号与暗场噪声信号之比值。动态范围定义为：

等效噪声信号指CCD正常工作条件下，无光信号时的总噪声，等效噪声信号可用峰峰值，也可用均方根值表示。通常CCD摄像器件光敏元的满阱容量约106～107电子，均方根总噪声约103电子数量级，故动态范围在103～104数量级。

CCD器件的性能参数9.动态范围CCD光电测量系统的实现

硬件电路由CCD器件﹑驱动器、信号预处理、A/D转换、存储器、单片机、串口通讯接口和电源等部分组成。

需要测量的光信号经光学系统投射到CCD器件，CCD器件在驱动电路的驱动下，将光信号转化为模拟视频信号，模拟视频信号通过前置放大等处理后送到A/D转换器，A/D转换在驱动器的逻辑控制下将模拟信号转化为数字信号并按帧传送到存储器存储，当单片机接收到计算机需要传输数据的命令时，就在存储器中读取数据通过串口通信接口传送到计算机进一步处理。

CCD器件

驱动器

信号预处

理

A/D

转换

存储器

单片机

串口通信接口

计算机

电源CCD光电测量系统的实现设计中的主要器件的选择1.CCD器件选择依据：光谱范围、动态范围、像元尺寸、像素规模、工作频率、光电响应特性。典型器件：TCD1206、TCD2252、TCD103

CCD器件

驱动器

信号预处

理

A/D

转换

存储器

单片机

串口通信接口

计算机

电源CCD光电测量系统的实现型号黑白/彩色有效像元数像元尺寸（µm）典型灵敏度（V/lx·s）动态范围输出方式最高驱动频率（MHz）外形尺寸长×宽（mm）生产厂商主要应用范围TCD1001P黑白12832×32×3285500单路613.0×7.0TOSHIBA高速尺寸、振动测量µPD3575D黑白102414×14×14144600单路326.6×9.65NEC尺寸、振动测量TCD1200D黑白216014×14×14451700单路241.6×9.65TOSHIBA尺寸测量TCD1206SUP黑白216014×14×14451700单路241.6×9.65TOSHIBA尺寸测量TCD1208P黑白216014×14×14110750单路241.6×9.65TOSHIBA高灵敏度尺寸测量TCD1209D黑白204814×14×14312000单路2041.6×9.65TOSHIBA高速尺寸测量、动态分析TCD1251UD黑白270011×11×11353800单路441.6×9.65TOSHIBA光谱分析、尺寸测量TCD1304AP黑白3648200×8×8160300单路141.6×9.65TOSHIBA高灵敏度µPD3734A黑白266011×11×11702000单路544×9.25NEC高速尺寸测量TCD1251D黑白270011×11×11353800单路341.6×9.65TOSHIBA光谱分析、尺寸测量TCD2252D彩色27008×8×89.11600RGB三路441.6×9.65TOSHIBA尺寸测量TCD132D黑白102414×14×14121500单路241.6×9.65TOSHIBA尺寸测量TCD1500C黑白53407×7×74.83000单路853.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸测量TCD1501D黑白50007×7×7133000单路1253.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸测量、光谱分析TCD1702C黑白75007×7×792000奇偶双路1066.0×10.0TOSHIBA尺寸测量TCD1703C黑白75007×7×7151660奇偶双路2066.0×10.0TOSHIBA尺寸测量TCD2901D彩色105504×4×42.47000RGB三路552.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸、彩色图像扫描µPD8861彩色54005.25×5.255.822777RGB三路644×9.25NEC高精度尺寸、彩色图像扫描设计中的主要器件的选择2.驱动器

几种常见的驱动方法CCD光电测量系统的实现设计中的主要器件的选择3.AD转换选择依据：转换精度、转换速度。

4.存储器

5.通信方式

CCD器件

驱动器

信号预处

理

A/D

转换

存储器

单片机

串口通信接口

计算机

电源CCD光电测量系统的实现CCD器件的应用尺寸测量角度、位移、速度测量振动测量距离测量与激光三角法光谱分析光栅制作干涉测量密立根油滴实验自动报靶其他应用1.尺寸测量

衍射法测量微小尺寸成像法、投影法双CCD测量法光电信号的二值化及其应用1.尺寸测量

衍射法测量微小尺寸1.尺寸测量

衍射法测量微小尺寸a显示CCD传感器单片机A/D驱动器激光器CCD测量杨氏弹性模量原理图1.尺寸测量

投影法、成像法1.尺寸测量双CCD测量法L=LT-L1-L21.尺寸测量光电信号的二值化及其应用光源待测工件成像系统CCD光强分布曲线二值化以后的分布曲线二值化图1二值化在尺寸智能测量中的应用显示

从图像传感器(面阵或线阵)得到的视频信号是一个模拟信号，其中每一个像元对应的信号大小都反映了该像元上光强的大小，它可以是连续变化的。但在文字识别、图形识别、物体尺寸、位移、速度的测量等应用中，我们关心的只是对象的轮廓或边沿信息，比如在测量矩形工件尺寸时，我们只需要知道两个端面所在位置就行了，这是为了便于计算机对数据进行存储、处理和辨认，人们常常将信号二值化。光源待测工件成像系统CCD光强分布曲线二值化以后的分布曲线二值化图1二值化在尺寸智能测量中的应用显示二值化在尺寸智能测量中的应用如果能够测出CCD上像的大小L

，则物体的实际尺寸L为：

--光学系统的放大倍数

值可通过对已知尺寸的标准工件测量得出，对于简单的光学系统，也可通过光学成像系统和光路结构中的参数进行计算得出。影响工件像边沿质量的因素：光学系统、CCD器件都有一定的调制传递函数；光源、工件边沿并非都是理想的；噪声、环境起伏、CCD窗口等因素的影响。阈值二值化处理N是二值化后值为1的像素的个数，d是单个像素所占的尺寸大小1.尺寸测量光电信号的二值化及其应用二值化的好处二值化的实现方法1.应用软件二值化：即二值化是在系统的最后一个环节——应用软件中完成的，这种方法是利用应用软件确定阈值、判断并二值化，优点是方便灵活，缺点是在要求极高的实际应用中，软件处理会使系统整体性能下降；

2.硬件二值化：视频信号在A/D转换前，首先通过一个比较器，与另一个可调的作为阈值的电平信号比较，如果大就输出高电平(2.5V)，如果小就输出低电平(0V)，这种方法速度快，但不如软件二值化的方便。

3.利用单片机进行二值化：这种方法是在视频信号进行A/D转换并存储到存储器后，利用单片机读取存储器中的数据并逐个与阈值比较来实现二值化，这种方法可以充分利用单片机的资源而不影响应用程序进行后续处理的速度，当然必须保证单片机有可以利用的资源。

使计算机可以通过简单的运算就可得到所需要的数据，还使每次测量都保持一个统一的保准从而排除主观因素的影响，最后二值化后的数据量小，在图像识别等数据量大的情况下可以显著减小存储器的大小，并且更易于进一步的数据处理。1.尺寸测量光电信号的二值化及其应用阈值的选取方法：固定阈值和浮动阈值1.尺寸测量光电信号的二值化及其应用2.角度、位移、速度测量相关知识1：泰伯效应相关知识2：莫尔条纹及在测量中的应用角度测量原理与实现位移测量原理与实现速度测量原理与实现2.角度、位移、速度测量莫尔条纹及在测量中的应用莫尔条纹2.角度、位移、速度测量莫尔条纹及在测量中的应用莫尔条纹计量光栅2.角度、位移、速度测量莫尔条纹及在测量中的应用设光栅的节距为d，两光栅栅线夹角为，则条纹的间隔(宽度)为：莫尔条纹的位置莫尔条纹的移动光栅位移量：q=d——长度量化的单位光栅测长原理圆光栅及测角原理角度增量：q——每条纹的角度量2.角度、位移、速度测量莫尔条纹及在测量中的应用设光栅的节距为d，两光栅栅线夹角为，则条纹的间隔(宽度)为：光栅位移量：q=d——长度量化的单位莫尔条纹法优点：光栅付的放大倍数：(1)位移量的放大作用(2)误差的平均效应

光栅器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线n的综合平均效果。若每一刻线误差为

0时，则光电器件输出的总误差：2.角度、位移、速度测量莫尔条纹及在测量中的应用2.角度、位移、速度测量利用CCD进行角度测量角度测量方法：(1).利用两个CCD实时测量角度；

(2).利用单个CCD测量角度。

(3).利用泰伯效应测量角度。(1).利用两个CCD实时测量角度

驱动驱动hd二通道A/D转换器数据采集计算机图1利用两个CCD完成角度智能检测的系统框图被测对象CCD1CCD2系统结构测量方法CCD1输出信号CCD2输出信号VO-信号强度像元位置nCCD1输出信号CCD2输出信号VO-信号强度像元位置n二值化阈值Vth阈值Vth阈值Vth阈值Vthn1n2n3n4图2两个CCD的输出信号及二值化后的结果假设CCD像元的中心距为w，由图易知，两个CCD凹处中心的距离d为物体的倾角

满足：

2.角度、位移、速度测量利用CCD进行角度测量(2).利用单个CCD测量角度

驱动驱动hd二通道A/D转换器数据采集计算机图1利用两个CCD完成角度智能检测的系统框图被测对象CCD1CCD2CCD1输出信号CCD2输出信号VO-信号强度像元位置nCCD1输出信号CCD2输出信号VO-信号强度像元位置n二值化阈值Vth阈值Vth阈值Vth阈值Vthn1n2n3n4图2两个CCD的输出信号及二值化后的结果假设CCD像元的中心距为w，由图易知，两个CCD凹处中心的距离d为物体的倾角

满足：

2.角度、位移、速度测量利用CCD进行角度测量(3).利用泰伯效应测量角度2.角度、位移、速度测量利用CCD进行角度测量激光器光强衰减器扩束镜准直镜光栅1光栅2CCDA/D单片机计算机光具座可垂直升降的滑座驱动器2.角度、位移、速度测量利用CCD进行位移、速度测量激光器光强衰减器扩束镜准直镜