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1、机械电子学,罗华，傅波，刁燕，等 著 机械工业出版社,机电一体化系统中的数字化检测与控制,3.1 数字式测量系统的结构与特性 3.2 机械装置中的常用数字传感器 3.3 微机电系统传感器 3.4 图像传感器 3.5 MIT两轮自平衡机器人中应用的传感器,第3章 数字式测量与传感器,CCD: Charge Coupled Device,第3章 数字式测量方法与传感器 图像传感器: 固体摄像器件部分,作用：将光线转换成电信号人的眼睛,60年代末：美国贝儿实验室W.S.波涅尔、G.E.史密斯 1974年：美国RCA公司的(512*320)象元面阵CCD 70年代末：美国仙童推出的6000位CCD 1
2、985年：美国特克郎尼克斯公司推出了2048*2048象元面阵CCD 90年代：索尼、松下、夏普、日立等日本公司则大批量生产实用型的高、中、低档器件、整机，并占领了世界绝大多数市场,基本概念和特点,CCD器件属于一种大规模集成电路，它具有多独特功能，如：可以实现光电转换、信号储存、转移输出、处理以及电子快门等一系列功能。 CCD的特点： 1）体积小、重量轻、电压功耗低、可靠性高、寿命长 2）具有理想的扫描线性，可以进行像素寻址 3）有很高的空间分辨率 4）有数字扫描能力 5）光敏元件的几何尺寸精确 6）具有很高的光电灵敏度和大的动态范围 7）CCD的数据率可调 8）可任选模拟、数字等不同输出形
3、式，可与同步信号、I/O接口及微机兼容、组成高性能系统，适应不同条件下使用。,第3章 数字式测量方法与传感器 摄像器件部分,CCD器件的基本结构和工作原理,CCD器件的基本结构和工作原理,固体摄像器件的主要类型有： 电荷耦合型 电荷注入型金属-氧化物-半导体型 电荷引动型 叠层型,CCD是一种光电转换器件，用集成工艺制成。它以电荷包的形式存储和转送信息，主要有光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成。,CCD器件的基本结构和工作原理,一、光电转换 结构： CCD器件是有许多个光敏像元组成的，每个像元就是一个MOS 电容器。它是在P型SiO2，再在SiO2表面蒸镀一金属层（多晶硅），在衬底和金属电
4、极间加上一个偏置电压，于是就够成了MOS 电容器。,CCD器件的基本结构和工作原理,原理：当一束光线投射到电极上MOS 电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P 型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带 产生的电子跃迁，形成电子-空穴对，电子-空穴对在外加电场的作用下分别向电极两端移动，, 光生电荷,CCD器件的基本结构和工作原理,二、电子转换 结构：每个像元就是一个光敏二极管。是在P-型Si衬底上扩散一个N+区域以形成P-N结二极管，通过多晶硅相对二极管反向偏置,于是在二极管中产生一个定向电荷区(称为耗尽区),CCD器件的基本结构和工作原理,原理：光生电子与空穴对分离，
5、光生电子被收集在空间电荷区中，对带负电的电子是一个势能特别低的区域,因此通常又称为“势阱” 。势阱容量与所加栅压近似成正比.光敏二极管和MOS电容器相比光敏二极管具有灵敏度高,光谱响应宽,蓝光响应好,暗电流小等特点。,CCD器件的基本结构和工作原理,二、电子转移,CCD器件的基本结构和工作原理,CCD器件的基本结构和工作原理,三、电荷读出,CCD器件的基本结构和工作原理,CCD器件的基本结构和工作原理,CCD上感光组件以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。,CCD器件的基本结构和工作原理,CCD器件的基本结
6、构和工作原理,分解CCD，你会发现CCD的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”，以及第三层“感光层”。,CCD器件的基本结构和工作原理,第一层“微型镜头”： 成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。,CCD器件的基本结构和工作原理,分解CCD，你会发现CCD的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”，以及第三层“感光层”。,CCD器件的基本结构和工作原理,第二层
7、“分色滤色片”： 目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。,CCD器件的基本结构和工作原理,分解CCD，你会发现CCD的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”，以及第三层“感光层”。
8、,CCD器件的基本结构和工作原理,第三层：感光层 CCD的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。,7.3 CCD器件的发展和应用,随着技术的进步，今后CCD会朝着以下几个方向发展： 1）象面尺寸的集成化和轻量化 随着工艺和制造业的发展，CCD传感器的尺寸将向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸方向发展。 2）高像素、小象元尺寸 CCD传感器正在向小尺寸多像素的方向发展。CCD图像传感器象元数的竞争实际上就是缩小象元尺寸的竞争。 3）低电压、低功耗 由于科技的进步,CCD传感器的工作电压正在逐渐下降，逐步以+12V和
9、+5V两种工作电压为主。其低电压低功耗的趋势使之更适合于便携式以及嵌入式系统。,CCD器件的发展和应用,随着制造技术的进步，今后CCD会朝着以下几个方向发展： 4）更高的CCD摄像机制造效率 各厂家为了提高制造效率实现高速自动化生产，把过锡板工艺改进为板上连接IC芯片的贴片方式。 5）数字化 为了实现数字化处理，采用数字化手段对CCD的各种参数进行量化调整，确保CCD性能指标的一致性以及在特殊使用条件下的参数量化修改。 6）CCD的拼接 当单片CCD的象元总长度不能满足相机成像的视场覆盖宽度时，需要将多片CCD拼接成一个宽视场探测器，称为CCD的拼接。其中包括机械拼接、光学拼接和视场拼接等多种
10、拼接方式。CCD的拼接在军事、天文观察、光谱分析等方面特别有用。,CCD器件的发展和应用,随着大规模微细加工技术的发展，CCD像素高密度集成技术取得了突破性的进展。器件像素的中心距已做到0.004mm，线阵CCD可以达到5000个像素，这就为计量领域应用CCD打下了良好的基础。 CCD作为一种易于与计算机连接的传感器，在位移检测、运动速度测量、热加工温度场模拟、激光加工研究、光谱分析、无损探伤等方面都有广泛的应用前景。 CCD传感器与信号采集电路的大规模集成和新型快速图像处理软件的开发，使得CCD传感器在工业检测与自动控制应用中将发挥更重要的作用。 CCD传感器在焊缝跟踪自动化系统中，已成功地
11、应用于平面的焊缝跟踪 CCD传感器在进行船体、储汽罐等复杂几何形状、三维几何形状的焊接跟踪更易于实现焊接实时控制，而且可以实现任意形状的焊缝实时跟踪。,CCD器件的发展,随着大规模微细加工技术的发展，CCD像素高密度集成技术取得了突破性的进展。器件像素的中心距已做到0.004mm，线阵CCD可以达到5000个像素，这就为计量领域应用CCD打下了良好的基础。 CCD在三维测量系统的开发和应用，CAD，CAM，多煤体应用和虚拟现实系统中都有广阔的应用前景。它将促使铝制造业向机器人自动检测与控制、智能化测量、柔性集成制造系统、无人加工车间方向发展更进一步。 CCD传感器作为电脑前端和图象输入系统，深
12、入到各种办公应用的方方面面。 在军事上，CCD图像传感器(尤其是非可见光图像传感器，如X射线成像器，电子束成像器。红外线成像器)的应用会越来越广，它主要应用于夜视(微光夜视、红外夜视)、实时或近实时战术侦察、机载预警、导弹自动跟踪、高速飞行目标的轨迹测量等方面，必将对现代军事工程技术产生巨大的影响。,CCD器件的发展,关于CCD应用,CCD传感器设计实例介绍,PC,线阵CCD机,被测对象,步进电动机 驱动位移机构,数据采集 卡(电路),运动控制卡,线阵CCD摄像系统的应用,一、采用衍射法测量小孔或细丝直径,CCD摄像系统的应用,衍射法,在工业生产和科学实验中，经常碰到的尺寸小于1mm的狭缝或细
13、丝的直径的测量问题，采用激光衍射或CCD成像方法测量具有精度高、速度快、使用方便、且易与微机联机实现自动化测量等优点。其系统图如下所示：,线阵CCD摄像系统的应用,一、采用衍射法测量小孔或细丝直径,CCD摄像系统的应用,线阵CCD摄像系统的应用,计算的基本公式：d=f/x,CCD摄像系统的应用,当一束经过扩束和准直透镜后的平行激光束照射在一细小的狭缝上时,在位于狭缝后面的付氏透镜的焦面上，会产生与该狭逢对应的衍射条纹，根据巴比涅互补原理： 直径为D的细丝与同宽度的狭逢产生的衍射完全相同,所以在实际应用中,可以利用狭逢衍射公式来计算细丝的直径。,线阵CCD摄像系统的应用,二、采用放大成像法测量小
14、孔或细丝直径,CCD摄像系统的应用,被测物体经透镜在CCD上成像，像尺寸与被测尺寸成正比。设T为像尺寸，K为比例系数，则被测尺寸S可表示为：S=KT。,三、平行光成像尺寸测量法 适合于尺寸为230mm的物体目标。对5000位CCD来说,其精度可达7um,而对于1024为和2048为的CCD传感器来说则为14um。 系统示意图如下：,CCD摄像系统的应用,当一束平行光透过待测目标投射到CCD传感器上时, 目标所形成的阴影将同时投射到CCD传感器上，倘若平行光准直度很理想，阴影的尺寸就代表了待测目标的尺寸，因此只要采集计数系统计算出阴影部分象元个数（即输出脉冲个数）,其脉冲(象元)的个数与象元尺寸
15、的乘积就代表了目标的尺寸。,四、采用成像法测量中等尺寸目标（30100mm）,CCD摄像系统的应用,被测物体经透镜在CCD上成像，像尺寸与被测尺寸成正比。设T为像尺寸，K为比例系数，则被测尺寸S可表示为：S=KT。,CCD摄像系统的应用,五、采用双光路成像法测量大尺寸,100mm 的长度、宽度、直径测量：单光路成像系统的视场和分辨率的限制，难以保证测量精度要求,CCD摄像系统的应用,五、采用双光路成像法测量大尺寸,100mm 的长度、宽度、直径测量：单光路成像系统的视场和分辨率的限制，难以保证测量精度要求,两荧光灯之间的距离 Lp 荧光灯被钢管遮挡的为部分L1和L2 检测出钢管两端的边缘信号，
16、然后再由两边缘间的脉冲计数，根据象元尺寸和光学系统的放大倍数就可求得L1和L2值 最后： L Lp -（L1+L2）,CCD摄像系统的应用,五、采用双光路成像法测量大尺寸,100mm 的长度、宽度、直径测量：,图中A为CCD输出的模拟信号，经微分后得到钟形波图B，该钟形波对应于被测边缘的上升沿（暗到亮）或下降沿（亮到暗）的中点，而且斜率相同，如果用这个两个钟形波的上升沿去触发两个性能相同的触发器，则可得到触发器输出波形C，然后对两个脉冲之间的宽度计数，其计数值就是两个被测边界位置之间的距离X。这种处理方法的优点是，X值不依赖于边缘的对比度的大小变化，也与CCD相对于被测边界的位移方向无关，即使触发点平稍有变化，如图B中由a到b，测到的波形D仅有一个相对位移量，但不会影响测量结果， 要求：外界干扰尽量消除，不能对触发电平有明显的影响，而且要保证钟形波的对称性，否则会因钟形波斜率的变化而降低测量精度，当目标抖动范围小时，可以采用平行光作为照明光源。此时光源和CCD机可以作成一个整
