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1、84 CCD 图象传感器的应用 一 CCD 的七个应用领域1 小型化黑白、彩色 TV 摄像机这是面阵 CCD 应用最广泛的领域。日本松下 CDT 型超小型 CCD 彩色摄像机，直径 17mm，长 48 mm，使用超小型镜头，重量 54g，深受欢迎。典型 TV 用 IS 尺寸：79 mm2，480380 像元。2 传真通讯系统用 10242048 像元的线阵 CCD 作传真机，可在不到一秒钟内完成 A4 开稿件的扫描。3 光学字符识别IS 代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。重庆大学 1985 年的 CD-1 型 OCR 机，识别率达 999。4 广播 TV用 SSIS(S
2、olid State Imaging Sensor 固态图象传感器 )代替光导摄像管。1986 年柯达公司已推出 140 万素的 IS，尺寸 79 mm2，比电视图象信号多 4 倍以上。5 工业检测与自动控制这是 IS 应用量很大的一个领域，统称机器视觉应用。在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度检测。在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。 还可作机器人视觉传感器。6 可用于各种标本分析（如血细胞分析仪） ，眼球运动检测，X 射线摄像，胃镜、肠镜摄像等。7 天文观测天文摄像观测从卫星遥感地面如：美国用 5 个 204
3、8 位 CCD 拼接成 10240 位长取代 125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。航空遥感、卫星侦察如：1985 年欧洲空间局首次在 SPOT 卫星上使用大型线阵CCD 扫描，地面分辨率提高到 10m。还在军事上应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图象通信等。二尺寸测量1 微小尺寸的检测 （10500m）（一） 原理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 CCDL用衍射的方法对细丝、狭缝、微小位移、微小孔等进行测量。原理： 当满足远场条件 Ld 2/ 时，根据夫琅和费衍射公式可得到d=K/Sin .(1)式中：d细丝直径；K暗纹周期 K=1,2,3；激光波长；
4、L被测细丝到 IS 光敏面的距离；被测细丝到第 K 级暗纹的连线，与光线主轴的夹角；Xk第 K 级暗纹到光轴的距离。当 很小时（即 L 足够大时）Sintg= X k/L代入（1）式得d= = = .(2)KX/SS暗纹周期， S=XK/K 是相等的，则测细丝直径 d 转化为用 CCD测 S误差分析：0123XkSdL SLSLd2由于激光波长误差 很小10 5，可忽略不计，则（或者用随机误差的形式合成）S2例：He-Ne 激光 632.8nm, L=1000mm0.5mm, d=500m, 则根椐（2）式： S= = =1.265 （mm）SL3261058.当 CCD 像元选用 131m，
5、则 S= m10)(2测量误差SLd2= ）（= )265.10.02651833（。=4.2 m丝越细，测量精度越高（d 越小 S 越大） ，甚至可达到 d=10-2m.（二）S 的测量方法图象传感器 IS 输出的视频信号经放大器 A 放大，再经峰值保S=nspVn持电路 PH 和采样保持电路 S/H 处理，变成箱形波，送到 A /D 转换器进行逐位 A/D 转换，最后读入计算机内进行数据处理。判断并确定两暗纹之间的像元数 ns，则暗纹周期 S=nsp (p 为图象传感器的像元中心距)，代入（2）式算得 d.激光测微装置电路框图2. 小尺寸的检测小尺寸的检测是指待测物体可与光电器件尺寸相比拟
6、的场合。(一) 原理:IS A PH S/H A/D 计算机译码时序控制驱动VR信号处理计数显示控制器L np L= =( +1)nppnfa式中: f_透镜焦距 a物距b 像距 放大倍率n 像元数 p像元间距【解释:(成像公式) (1)1fba(2) 应光P 36Lnp解得: L= =( +1)npf】(二) 信号处理光电 IS 中被物体遮住和受到光照部分的光敏单元输出有着显著区别,可以把它们的输出看成“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,物像边缘明暗交界处,实际光强是连续变化的,而不是理想的阶跃跳变,要解决这一问题
7、可用两种方法:比较整形法;或者 微分法。 比较整形法:(即域值法)计数脉冲CCD 低通滤波比较器 计数显示参考电平+ a. 固定域值法固定域值法是将 CCD 输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入端加上可调的电平就构成了固定域值二值化电路。当 CCD 视频信号电压的幅度稍稍大于域值电压（电压比比较器输出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 。+UCCD 视频信号 +U W+_电压比较器U0域值电平 二值化信号R较器的反相输入端电压）时，电压比较器输出为高电平（为数字信号“1” ） ；当 CCD 视频信号小于等于域值电压时
8、，电压比较器输出为低电平（为数字信号“0” ） 。CCD 视频信号经电压比较器后输出的是二值化方波信号。调节域值电压，方波脉冲的前、后沿将发生移动，脉冲宽度发生变化。当 CCD 视频信号输出含有被测物体直径的信息时，可以通过适当调节域值电压获得方波脉冲宽度与被测物体直径的精确关系。这种方法常用于 CCD 测径仪中。固定域值法要求域值电压稳定，光源稳定，驱动脉冲稳定，对系统提出较高要求。浮动域值法可以克服这些缺点。b.浮动域值法浮动域值法是使电压比较器的域值电压随测量系统的光源或随CCD 输出视频信号的幅值浮动。这样，当光源强度变化引起 CCD输出视频信号起伏变化时，可以通过电路将光源起伏或 C
9、CD 视频信号的变化反馈到域值上，使域值电位跟着变化，从而使方波脉冲宽度基本不变。+UCCD视频信号+_电压比较器U0域值电平 二值化信号跟随器 S/H WR 微分法因为被测对象边沿处,输出脉冲的幅度具有最大变化斜率,因此,若对低通滤波信号进行微分处理,则得到的微分脉冲峰值点座标即为物象的边沿点。用这两个微分脉冲峰值点作为计数器的控制信号,在两个峰值点间对计数脉冲计数,即可测出物体宽度。低通滤波 微分 I 绝对值微分 II 过零触发 二值化CCD视频信号微分法原理框图滤波后CCD 视频信号A A，微分 I绝对值微分 II过零触发二值化信号OOOOOOtttttt微分法波形图 将 CCD 视频输
10、出的调幅脉冲信号经采样保持电路或低通滤波后变成连续的视频信号（第一条波形） ；将连续的视频信号信经过微分电路 I 微分，它的输出是视频信号的变化率，信号电压的最大值对应于视频信号边界过渡区变化率最大的点（A 点、A点） 。在视频信号的下降沿产生一个负脉冲，在上升沿产生一个正脉冲（第二条波形） ；将微分 I 输出的两个极性相反的脉冲信号送给取绝对值电路，经该电路将微分 I 输出的信号变成同极性的脉冲信号（第三条波形） ，信号的幅值点对应于边界特征点；将同极性的脉冲信号送入微分电路 II 再次微分获得对应绝对值最大处的过零信号（第四条波形） ；过零信号再经过零触发器，输出两个下降边沿对应于过零点的
11、脉冲信号（第五条波形） ；用这两个信号的下降沿去触发一个触发器，便可获得视频信号起始和终止边界特征的方波脉冲，及二值化信号（第六条波形） 。其脉冲宽度为图象 AA间的宽度。这套方法可由硬件电路完成，也可由数字信号处理方法软件完成（数字信号处理：CCD 直接进行 A/D 同步采样，再用计算机对数字处理。省去了滤波及以后的环节） 。 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。3 大尺寸检测（或高精度工件检测）对于大尺寸工件或测量精度要求高的工件，可采用“双眼”系统检测物体的两个边沿视场。这样，可用较低位数的传感器，达到较高的测量精度。左误差 LLIS2
12、公称尺寸 L0 右误差 LXIS1abCCD1 CCD2CCD3LC=L0+LL+LX有误差位置无误差位置原理如下：LL（或 LX） = np单个像元代表的实际尺寸 LL/np=1/ ,当 LL 很大时，成缩小的像（ 1，且 LL 越大，则每个像元代表的实际尺寸也越大，精度就差。分辩率 R=P/ （P 为像元中心距） ，L L（或 LX）=nR。缩狭视场（只测 LL 和 LX） ，可提高 ，增大分辩率 R，提高精度。考虑钢板水平偏转 ，用 CCD3 测出 b，=arctg(b/a)钢板宽度：L=(L0+LL+LX)cos例：若 L=1700mm， =50，求：不考虑角度误差 时的测量误差。解：
13、C=L/ cos=1700/ cos5 0=1706.49mm则 L=CL=6.49 mm可见不考虑角度误差是不能准确测量的。例：若 L=1 mm，则 cos=L/（L+L）=1700/1701=1.960三工件表面质量检测 （粗糙度、伤痕、污垢）1CCD 采集系统原理工件粗糙度是它的微观不平度的表现，各种等级的粗糙度对光源的反射强度是不同的，根据这种差别，可用计算机处理得到粗糙度的等级。伤痕或污垢表现为工件表面的局部与其周围的 CCD 输出幅值具有差别。采用面阵 CCD 采样利用计算机进行图象处理可得到伤痕或污垢的大小。以上方法偏重软件，把比较、校正、显示等硬件环节给省去了。2 工件表面质量检测光切显微镜原理图象采集卡（面阵CCD 的 AD 转换卡） 计算机图象处理程序结果光源伤痕、污垢、微观不平滤光片透镜（显微系统）图象传感器 IS照明系统平面光狭缝450 450SaaHCCD 或分划板S 测量方法：工件粗糙度（轮廓最大高度 RY）实际峰谷高由 H 计算：H=SScos450= 2S= 为物镜放大率h用 CCD 测得 h, 可得粗糙度 H 。例：光洁度 14 相当于粗糙度即 H=0。05 m，若 CCD 象元尺寸 =15 m=h则物镜倍率= = =212.22Hh05.1CCD 视场h=aaRY ，R Z 0。05（单位： m）磨纹理方向
