CCD图像传感器原理及应用.
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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 Semiconductor ，简称 CMOS)。
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。
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。
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 2003 • [2] 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，2003 • [4] 张正伟. 传感器原理与应用. 北京：中央广播电视大学出版社，1991
• [5] 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！
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。
L S
L L d L 2 S S S S
小尺寸的检测
信号处理
计 数 显 示
L
n· p
控制器
•
a L==( +1)· np ' f
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）
CCD1 CCD2
t
t
O
t
过零触发 O 二值化信号 O
微分法波形图
t
t
微小尺寸的检测
L
信号读出 信号处理
He-Ne 计数显 示器 透镜
细丝
线 阵 CCD 时钟发生控制 器
3
2
1
Xk
d
θ
0
S L
远场条件L﹥﹥d2/λ
d=Kλ /Sinθ
S的测量方法
V
S=ns· p
n
误差分析
K L d= XK
=
L
XK /K
=
β
β
公称尺寸L0
右误差LX
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 பைடு நூலகம்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
二、CCD传感器应用领域
1．小型化黑白、彩色TV摄像机 2．传真通讯系统 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。
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。
• 比较整形法
CCD 低通滤波 + 比较器 － 计数显示
参考电平 计数脉冲
CCD输出 t
滤波输出 参考电平
1
比较器输出
0
t
n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 CCD 视频信号
微分
绝对值
微分
过零触发
二值化
滤波后 CCD视频信号
A O
A，
t
微分
O 绝对值
O 微分
－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 Semiconductor ，简称 CMOS)。
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。
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。
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 2003 • [2] 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，2003 • [4] 张正伟. 传感器原理与应用. 北京：中央广播电视大学出版社，1991
• [5] 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！
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。
L S
L L d L 2 S S S S
小尺寸的检测
信号处理
计 数 显 示
L
n· p
控制器
•
a L==( +1)· np ' f
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）
CCD1 CCD2
t
t
O
t
过零触发 O 二值化信号 O
微分法波形图
t
t
微小尺寸的检测
L
信号读出 信号处理
He-Ne 计数显 示器 透镜
细丝
线 阵 CCD 时钟发生控制 器
3
2
1
Xk
d
θ
0
S L
远场条件L﹥﹥d2/λ
d=Kλ /Sinθ
S的测量方法
V
S=ns· p
n
误差分析
K L d= XK
=
L
XK /K
=
β
β
公称尺寸L0
右误差LX
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 பைடு நூலகம்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
二、CCD传感器应用领域
1．小型化黑白、彩色TV摄像机 2．传真通讯系统 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。
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。
• 比较整形法
CCD 低通滤波 + 比较器 － 计数显示
参考电平 计数脉冲
CCD输出 t
滤波输出 参考电平
1
比较器输出
0
t
n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 CCD 视频信号
微分
绝对值
微分
过零触发
二值化
滤波后 CCD视频信号
A O
A，
t
微分
O 绝对值
O 微分