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1、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(Joseph May)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，这是电子影像发展的开始。以后陆续发明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(Photo Multiplier Tube，简称PMT)和70年代出现的电荷耦合装置(Charge Coupled Device，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(Complementary Metal Oxide Sem
2、iconductor，简称CMOS)。,PMT,PMT从五十年代发展到现在，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技术已发展了数十年，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，并且它的制造成本比CCD要低。自从佳能公司在专业数码单反相机EOS D30中采用了CMO
3、S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年发明的，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-
4、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1280 x1024的数码相机中，有640 x512个红色像素、640 x512个蓝色像素和640 x1024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传真通讯系统
5、,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,微分法,微小尺寸的检测,远场条件Ld2/ d=K/Sin,S的测量方法,误差分析,d= = =,小尺寸的检测,L=( +1)np,例子：钢珠直径，小轴承内外径，小轴径、
6、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）,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拟的。,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 20032 范志刚. 光电检测技术 北京:电子工业出版社 2004.3 彭军. 传感器与检测技术. 西安：西安电子科技大学出版社，20034 张正伟. 传感器原理与应用. 北京：中央广播电视大学出版社，19915 王庆友,于桂珍. 利用线阵CCD非接触测量材料变形量的方法. 光电工程,2002,谢 谢！,
