CCD图象传感器的应用

§8—4 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：7×9 mm2，480×380像元。

2．传真通讯系统

用1024～2048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99．9﹪。

4．广播TV

用SSIS(Solid 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7×9 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。

①．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。

②．在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。

③．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

①．天文摄像观测

②．从卫星遥感地面

如：美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm

宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。

③．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（10～500μm）

（一）原理

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L ﹥﹥d 2/λ时，根据夫琅和费衍射公式可得到

d=K λ/Sin θ (1)

式中：d ——细丝直径；K ——暗纹周期K=±1,2,3…；λ——激光波长；

L ——被测细丝到IS 光敏面的距离；

θ——被测细丝到第K 级暗纹的连线，与光线主轴的夹角；

当θ很小时（即L 足够大时）Sin θ≈tg θ= X k /L 代入（1）式得 d=

K X L K λ=K X L K /λ=S

L

λ …………..(2) S ——暗纹周期，S=X K /K 是相等的，则测细丝直径d 转化为用CCD 测S 误差分析：

S S

L

L S

S

L d ∆+

∆+∆=∆2

λλλ

由于激光波长误差λ∆很小﹙＜10—5λ＝，可忽略不计，则

S S L

L S

d ∆+

∆=

∆2

λλ

（或者用随机误差的形式合成）

例：He-Ne 激光λ＝632.8nm, L=1000mm ±0.5mm, d=500μm,

则根椐（2）式： S= S

L

λ=3

23

61010510108.632--⨯⨯⨯⨯ =1.265 （mm ） 当CCD 像元选用13±1μm ，则ΔS=m μ10)1(1002=±⨯ 测量误差 S S

L

L S

d ∆+

∆=∆2

λλ

=）（S S

L

L S

∆+∆λ

=

)265

.1101010005.026511086323

6--⨯⨯+⨯（。。 =4.2m μ

丝越细，测量精度越高（d 越小S 越大），甚至可达到Δd=10-2μm. （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n s ，则暗纹周期S=n s ·p (p 为图象传感器的像元

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的场合。

L=

β

p

n ⋅=(

'

f a

+1)·np

式中: f `

__

—透镜焦距 a ——物距

b ——像距 β——放大倍率 n ——像元数 p ——像元间距 【解释:

'1

11f

b a =- (成像公式) ……(1) L

np

a b =

=

β ……(2) 《应光》P 36 解得: L=

β

p

n ⋅=(

'

f a

+1)·np 】

(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,要解决这一问题可用两种方法:①比较整形法;或者 ②微分法。

① 比较整形法:(即域值法)

计数脉冲