CCD 参数介绍

CCD 参数介绍
CCD——光电隅合器件的英文缩写，很显然，这个概念来自于微电子技术领域，这是一种早期使用CdS光敏半导体材料制成的光电信号器件，它与早期的NP法和KIP法复印机所使用的感光鼓可谓同宗同源，三十年前，有谁曾想到小小的CCD会给光学带来如此惊人的变革？
今天，CCD几乎成了数字光学时代的一个代名词，是一切数码光学产品的核心器件，基于CCD线阵与面阵和驱动电路组成的CCD器件将传统光学送入了今天的数字光学时代。

然而，严格意义地讲，CCD的发明和器件化与光学人没有多大关系，这让我想起激光器、彩色摄影，以及Adobe的图像处理软件的发明与出现都与光学人没多大关系，这些影响着现代光学仪器进程的技术都不是出自光学和光仪人自身的研究与创造，这一切，似乎足以让稍显刻板之气的光学人和号称工科“万精油”的光仪人汗颜。

值得一提的是，在电子技术的应用领域最终又把“CCD”这个名词搞乱了，微电子技术领域有两种加工工艺可以生产CCD器件，分别是毫安级的TTL工艺和微安级的CMOS工艺，不知是电子技术应用人员，还是安防领域，还是数码相机领域，竟把CMOS工艺生产的CCD 叫成了CMOS，于是乎，便有了将TTL工艺的CCD叫CCD，CMOS工艺的CCD叫CMOS的混乱局面，“CCD有两种，CCD和CMOS”、“CMOS不是CCD”、“CMOS与CCD同时起步”——听得头疼，这是外话。

言归正传，那么，是不是安装了CCD图像器件的显微镜就是数码显微镜？这又是一个颇为“爱昧”的问题，可以说是，“严格意义说”又不是，CCD的驱动电路有两种：模拟信号与数字信号（以输出信号方式区分），数字信号的可直接接入计算机，模拟信号的需要经图像采集卡进行A/D转换而接入计算机，换句话说，不管是模拟CCD，还是数字CCD，都可使显微镜成为数码显微镜，然而，低端的数字CCD性能很差，高端数字CCD价格十分昂贵，使用受到局限，模拟CCD则不同，由于安防类产品的广泛应用，大批量生产降低了它的造价和提升了它的性能，同时，图像采集卡（又名图像卡）提供着十分优秀的图像处理能力和支持软件二次开发的特点，模拟信号（AV），还可直接接入监视器和电视机进行显示，十分方便，数字信号的则不能，因此，以模拟CCD图像器件为核心的CCD显微镜被广泛应用。

还有一个问题很多人理不清，数字CCD谈像素，模拟CCD谈线数（电视线）和桢数，像素是一个静止图像概念，线数则是一个动态图像概念，桢数：即为每秒钟内拍摄并传输的图像数量，超24桢/秒人眼无法分辨其间隔，就象电影（24幅/秒）与电视（30桢/秒），而CCD显微镜多为30桢/秒，可见数字CCD 多用于数码相机功能，模拟CCD多用于摄像机功能，模拟CCD可以通过图像采集卡转化为“多少像素/桢”的动态数字图像概念，值得一提的是，多半工厂技术人员搞不清楚上述的差异所在，并受国外高价器件供应的“概念营销”所影响，开口便谈CCD像素，好象CCD显微的效果就是像素决定一切，这显然是片面的理解，需要销售人员巧妙引开（SPIN话题）。

CCD器件有一个重要的硬件指标：“CCD靶面”英寸，所谓“CCD靶面
英寸”是CCD感光列阵的大小，常见的有：1/1.8、1/2、1/3、1/4英寸，“CCD 靶面”大小在一定程度上决定了其感光单元的数量，从而决着有效的像素能力，“CCD靶面”的感光单元的数量还受晶园科技的加工水平影响，目前仍以每两年半提高一倍发展，换句话说，相同的“CCD靶面”大小不一定具有相同数量的感光单元，要看它是使用多少纳米工艺，在230纳米工艺之后的90纳米工艺已被广泛使用，而45纳米工艺又已成形，CCD显微镜多半使用1/2、1/3英寸CCD器件，1/1.8英寸为专业相机“领地”，“CCD靶面”大小反应的是“光学像素”，依靠软件差补加大的“电子像素”提高不了成像质量，值得一提的是，市面上很多国产“高端”CCD工业或智能相机，多半都是通过差补加大CCD像素，质量很差。

CCD器件还有一个重要的性能指标：照度，严格说，照度是一个光的亮度概念，本不属于CCD指标，在CCD这里，“照度”代替了“感度”概念，反应着“感度”水平，CCD器件可以远远优于人眼的感光能力，可以做到非常微光能力，这正是CCD显微镜的发展优势之一，CCD器材还有感光特性曲线问题，不同的颜色下的感光能力不同，可以做出各种各样超越人眼的器件，充分利用CCD器件的多样性和特殊性，可以开发出广泛的超越传统显微镜能力的新型显微镜产品，赛克所拥有的“消杂光、大景深”等专利技术，正是使用CCD器件特性改善传统光学成像质量，这是一个具有广阔前景和纵深的应用技术发展地带，我们已拿取了它的入园资格。

需要补充说明的是：TTL工艺下的CCD与CMOS工艺下的CCD器件存在差异，前者是毫安级的耗电，后者是微安级的耗电，前者成像质量和低照能力都优于后者，很显然，前者适合于CCD显微镜，后者适合于使用电池对低耗电要求很高的数字相机、手机，有意思的是，很多一知半解的工程技术人员在“概念营销”的影响下，被搞得稀里糊涂，很多微安级器件，甚至连启码的色彩平衡能力、白平衡能力、AE能力都没有，（关于“色彩平衡”、“白平衡”、“AE”等概念，将在“CCD显微２”中表述）这也是数码相机器件没有的功能，然而作为“工业相机”用途CCD器件则属必备功能，这些属于销售人员必须理解和具备技术技巧能力的地方，从别人的“概念营销”陷阱中争取客户，这也是SPIN营销问话设计的重要地带，需要把客户从“概念迷阵”中带出，带向我们。

如上篇所讲，传统体视显微镜概成CCD显微镜有两种方式：三目光路或电子目镜，这两种方式可应用于所有的显微镜，因此，所有传统显微镜都可以改造成CCD显微镜，换句话说，就是所有显微镜（甚至所有带有目镜的光学仪器）均可实现数字化（也就是数码化），从而实现，数码摄影、数码录像、数码测量、数字图像分析、模式识别，高端产品走向测控合一。

这样的一个方向，显然是赛克战略的“主攻方向”，我们正在把它联成一片。

仔细分析赛克的历程与路径，不难看出，赛克有着清晰的战略主线：从两头和中间“三点开花”展开着。

这是一个足以令所有同行惊讶的战略展开，其目标就是要吞下“整个鱼塘”，而非任何一个节点。

今天，我们的“三点开花”已获得了相当程度的成功，得到了一些战略制胜点，抢占到了不少“桥头堡”。

关于“色彩平衡”，摄像机特性的CCD器件（多为模拟CCD）拥有的一种功能，这种功能能快速响应视窗中颜色的变化，实现“色彩平衡”，这个响应过程是由
CCD驱动电路中的单片机控制完成的，这是一个动态摄影过程需要的重要功能，数码相机中并不需要，然而，这个功能带来好处的同时，也带来一些局限，在CCD显微镜中运用时导致“视场偏色”便是一例，改善这个问题，需要组织研发更为专用的CCD器件（公司正在着手的方向之一）。

关于“白平衡”，又是摄像机特性的CCD器件拥有的一种功能，而且仅用于彩色摄像机，这又是一种需要快速响应的功能，其目的是通过纠正色相偏差来保证色彩还原，在每秒30桢的动态摄影中，白平衡是快速适应环境光线变化的一个十分重要的功能，这个功能，又是用于数码相机这种间隔静态摄影的CCD 器件所不具有的，用于CCD显微镜的“白平衡”还必须是自动和快速响应的，这个功能又是由CCD驱动电路中的单片机控制完成。

关于“AE”，“AE”——自动曝光，这是一个从传统相机中发展起来的概念，“AE”是静态摄影和动态摄影共有的一个功能，只是前者（照相机类装置）是通过照前测定实现，后者（摄像机类装置）则是通过快速响应来实现，在CCD 器件中，这个功能还是由CCD驱动电路中的单片机控制完成，关于“CCD驱动电路”，从“CCD显微（１）”开始，这个CCD驱动电路就一直频繁出现，与“CCD 感光元件”相比，它才是更为决定性的单元，“数字”与“模拟”，各项性能，均由驱动电路决定着，这是更为专业的地带，从这里深入才有着广泛的差异与不同，进而发展为信号电路、单片机控制、输出接口等电路系统和汇编软件，这是我们在建立完“CCD显微”的光学与机械装置优势后着手解决的一个方向，这个方向的展开时机已基本成熟，它的深入将建立起我们新的优势，有的销售人员又要问了，为什么不是先解决CCD专用器件开发能力，后建立光学与机械装置的开发与制造能力？这是一个十分重要的决策问题，需要相当宽域资讯与知识能力，暂留下一篇《CCD显微（三）》去说明，这里先展开另外的一个问题——面对极其复杂的“CCD显微”市场。

言归正传，“CCD显微”其应用特点以两种形式存在：仪器或装置，仪器形式即为“CCD显微镜”，又分为通用型和改造型，SK2000系列CCD显微镜是非常典型的“通用型CCD显微镜”，多种三目加装CCD器件和双目加装电子目镜的传统显微镜均可成为“改造型CCD显微镜”，装置形式亦可称作“CCD显微装置”、“视觉装置”，形态众多，用途十分广泛。

关于“CCD显微装置”，“CCD显微装置”由五个基本部分组成：CCD器件、光学系统、机架与运动系统、照明系统、显示器件，“CCD器件、光学系统”为必备部分，具有系列化特点；“机械运动系统、照明系统、显示器件”为扩展部分，具有多样化特征，“CCD显微镜”可以理解为仪器化的“CCD显微装置”，它是以“自成一体”的设计，将各个部分有机结合为专用仪器，“CCD显微装置”则不同，它是以应用环境为依托，在别的设备中有机溶入，实现将CCD显微技术应用其中，“CCD显微装置”能使设备升级，成为溶合了“光学眼”和“视觉脑”的前沿产品，迅速智能化和提升生产效能，很显然，“CCD显微装置”是“CCD显微技术”最为重要的市场空间，也是眼下最为突出的市场趋势，这是公司“蚯蚓战略”的出发点——近三年赛克的产业化建立和近一年的产品线展开均基于此战略，为此，我们已完成国内一个中大型现代光学仪器厂的硬件建设和满足“蚯蚓战略”
要求的工艺设置，今日赛克，四个工厂的一条龙工艺布局，已形成年产两万套“CCD显微镜”与“CCD显微装置”的规模条件，使赛克走过了几十年发展起来的老光仪厂所拥有的工艺能力，形成了“蚯蚓战略”所需要的关键优势——新机投产快。

如果说，2003年那时候，赛克着手进行的“小机”（通用型CCD显微镜）处在了市场的前面，那时，CCD显微刚刚启步，市场处于初期特征，通用型的CCD显微镜几乎是唯一选择，经过五年的发展，特别是2005年之后，中国院校和企业普通引进机器视觉应用课程和课题之后，CCD显微技术迎来了一个高速发展阶段，今天，更是进入了一个全面开花的广泛应用时期，这是一个多学科综合的极具活力的技术应用领域，极具挑战，不努力学习，随时会被市场淘汰。

在这个广泛应用时期，“CCD显微装置”与机器视觉和运动控制一道成为了市场的主流。

关于“CCD显微光学系统”，首先，光学系统是光学仪器的核心，其次，“CCD 显微光学系统”与传统光学系统有着相似的特点和不同的特性，这种不同，需要将CCD作为感光器件与光学成像系统一体进行研究，而这一点，多数同行没有进行，主要是因为隔行如隔山——跨专业特点所致，在赛克创建之初，早在2002年就已对这个领域作过一些卓有成效的实验，在充分利用CCD特性和近轴光成像优异性能的前提下，实验非常成功，基于这些实验成果，赛克于2003年申请并获批了“消杂光大景深专利技术”，此专利，具有较强的实用性，全面提升普通镜头在CCD下的成像质量，并且实施简便，它改善了色彩还原，减小了畸变和场曲，加大了景深，普通光源下获得CCD优质成像，使普通镜头提升到接近专业效果，凭借此项专利，赛克数码在CCD显微领域一直独辟捷径，提供着低成本高像质的产品，保持着竞争优势。

光学系统一共有七种象差影响着成像质量，需要进行巨大的运算纠正，便是光学设计，这些象差分别是：球差、慧差、场曲、畸变、色散、位置色差、倍率色差（有点记不清了），在这些象差中，“CCD显微光学系统”又因用途不同，要求会有所不同，大致区别如下，“CCD显微光学系统”主要有三个方面的用途：显微观察与品检、显微测量、视觉判断，严格说，前者为“CCD显微”技术范畴，后两项为“光学信息工程”技术范畴，前者要求：分辨率和景深，很好的色彩还原和衬度，大范围的变倍能力和大工作距离，后者要求：很小的畸变和很小的场曲（最好是无畸变和场曲），很好的分辨率和层次，需要说明的是，受光学设计与制造所限，显微光学系统至今还没有高倍变焦系统，高倍镜头都是定焦镜，同时，倍率越大，则工作距离越小；高倍金相系统因工作距离太小而使用内打光的同轴光照明方式，近年，基于半复消色差和复消色差技术出现了一种“超大工作距离”高倍光学系统，具有很好的市场前景。

“CCD显微光学系统”可分为定倍与变倍两种，定倍系统——使用定焦光学镜头，镜头焦距固定，图像倍率不改变，变倍系统——又分“定焦变倍系统”和“变焦系统”两种；前者镜头焦距不变而图像倍率改变，后者两者均变，“定倍系统”和“变倍系统”满足于不同的应用领域，“变倍系统”比“定倍系统”用途更为广泛，其中，有一种十分特殊的结构——“定焦变倍系统”，它几乎可以说是赛克数
码的“独创”和“杰作”，这种“定焦变倍系统”利用了定焦光学系统比变焦系统更为优异像质，满足变倍用途（变倍比1:3），结合赛克独有的“消杂光大景深专利技术”，应用效果十分优异，赛克数码早期的CCD显微镜多为这种结构，这些CCD 显微镜，以其出众的像质、优异的性价比而久赋盛誉，就象SK2004、SK2010等产品，作为“消杂光大景深技术”发明者和SK2004等产品设计者，这一切也超出了我本人的预计，然而，“定焦变倍系统”有一个致命的局限：无法齐焦！也就是说，倍率越小、工作距离越大；变倍过程中，工作距离随倍率的不同而变化，幅度较大，正是这一点，“定焦变倍系统”的应用受到局限，这个局限需要具有齐焦能力的变焦系统来弥补，没有自己的变焦镜头一直是赛克的一个“短板”，而且，独有专利在变焦系统中发挥不出优势，使赛克受到制约。

这种局面到2007年底被打破，超过五款连续变焦镜头短期内投产成功，形成年产一万支的能力，劣势得以改变，已完成设计的多款高档镜头和“立体CCD显微镜”再投产，将彻底解决“短板”问题，同时，LED同轴光变焦镜头，高端数控变焦镜头，超大工作距离镜组，电子目镜的投产，可望实现优势强化，从而，使赛克形成快速设计、生产专用“CCD显微光学系统”的新优势——“蚯蚓战略”的又一个关键条件。

还有一个很多人都不明白的问题：CCD显微光学系统无须目镜，“CCD 显微光学系统”一般都只有物镜，没有目镜，物镜直接成像到CCD靶面上，这是因为，CCD靶面就象相机里的胶卷，需要成实像才能“感光”；而物镜是成实像的，目镜则成虚像，目镜是将物镜所成的实像，再成像到人的眼球之中；人眼可将虚像成像到视网膜，实像则需要中间介质，比方，人眼可以看到镜子中的影像（虚像），则无法直接观看镜头过来的影像（实像），放到银幕上才能看到，所以，传统显微镜有目镜（用于人眼），CCD显微镜无须目镜；有一种系统比较笨，物镜后加目镜，目镜后再加物镜这种笨结构便是电子目镜——在原光路后面加入两组光学镜头组，导致成像质量下降很大，这是电子目镜的局限，这与大家的理解相反，并非镜组越多越好；对不是一次性设计而拼在一起的光学系统而言，镜组越多像质越差。

“CCD显微”有一个重要的系统指标：倍率，这又是一个十分“爱昧”问题，经常被混淆，是一个解释起来颇费口舌的问题，首先，我们先来面对一堆概念：物镜倍率、光学倍率、系统倍率、电子倍率、视窗倍率、电子放大、变倍比等，物镜倍率——成像于目镜分划面上的大小除以实物大小——“CCD显微”没有目镜，物镜倍率是否为光学倍率？（我认为不是！CCD显微系统里，“物镜倍率”是一个“夹角倍率”，这一点好比电影放影机和投影机）光学倍率——物镜倍率乘以目镜倍率——“CCD显微”没有目镜，它的系统“光学倍率”该怎么算？（同上）系统倍率——显示器件上的影像大小除以实体大小——用不同大小的显示器件，系统倍率就不同？（对！系统倍率在此处成了一个变量，只有使用相同屏幕尺寸的显示器进行比较才有意义）电子倍率——在14英寸监示器上影像的大小除以实物大小——这才是衡量CCD显微系统倍率的指标，视窗倍率——视窗内影像大小除以实物大小——随视窗大小而变化，不能作为CCD显微系统倍率的指标，电子放大——系统倍率除以物镜倍率——这里不是数码相机里的图像差值放大，而是含有“光学放大”内涵的一个复合倍率，变倍比———物镜最大倍率除以最小
倍率——只是变倍系统的一个概念。

“CCD显微”的另外两个重要指标：分辨力与景深，本篇一波三折，昨天已封笔，今天又觉得需要进一步展开一些初级概念，分辨力——又名解析力、分辨率，是指成像后能被分辨出的两条线间的最小距离，需要提醒的是，由于人眼极限分辨力为：0.1mm，不借助工具，人眼无法测定分辨力，只能“感觉”，景深——分为“前景深”和“后景深”，两者相加叫“景深”，这还是一个十分“爱昧”的光学成像概念，如果说“分辨力”可以清晰定义与区分，那么，“景深”则是一个没有清晰“界线”的问题，前景深——对焦后，物体（焦平面）朝上的清晰深度——这个“清晰”是以人眼判断为准；后景深——对焦后，物体（焦平面）朝下的清晰深度——“清晰”以人眼判断为准，“深度”比较感觉化，然而，“分辨力与景深”是可以比较的，特别是CCD显微下，支持多人共赏的CCD显微模式比较容易实现评估，这种评估需要经验，这种经验需要积累，同时，景深还是一个受倍率等因素影响的变量（严格说分辨力也是变量），不同倍率（焦距）下，景深随倍率而变化，倍率越大景深越小，反之亦反。

关于“CCD显微”的有效放大与虚放大，有效放大——不降低像质的放大——这话说得很“爱昧”，像质一定会下降；只是下降到什么程度算是“不下降”？虚放大———降低了像质的放大——晕！既然下降是一定的，那么，下降要大到什么“程度”才算是“虚放大”？这里的关键——“隐含像质”，超越人眼极限的像质不能被“察觉”，就象是被压缩存贮起来，特别是分辨力，继续放大中，这些隐含像质被“施放”出来，超出人眼极限的细微变化不被发现；接近和达到极限后才能“察觉”，换句话说，能被人眼察觉到像质下降的放大为“虚放大”，不被察觉出像质下降的放大“不是虚放大”，然而，同一CCD显微系统在7、、10、、14、、17、28、36、48、60寸屏上，会出现“虚放大”的倍率是不同的，这又是一个十分&ldquo
在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视及零件识别应用，例如零配件批量加工的尺寸检查，自动装配的完整性检查，电子装配线的元件自动定位，IC上的字符识别等。

通常人眼无法连续、稳定地完成这些带有高度重复性和智能性的工作，其它物理量传感器也难有用武之地。

由此人们开始考虑利用光电成像系统采集被控目标的图像，而后经计算机或专用的图像处理模块进行数字化处理，根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判别。

这样，就把计算机的快速性、可重复性，与人眼视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉的概念。

(收集)
一个成功的机器视觉系统是一个经过细致工程处理来满足一系列明确要求的系统。

当这些要求完全确定后，这个系统就设计并建立来满足这些精确的要求。

机器视觉的特点包括以下几点：
■精度高
作为一个精确的测量仪器，设计优秀的视觉系统能够对一千个或更多部件的一个
进行空间测量。

因为此种测量不需要接触，所以对脆弱部件没有磨损和危险。

■连续性
视觉系统可以使人们免受疲劳之苦。

因为没有人工操作者，也就没有了人为造成的操作变化。

多个系统可以设定单独运行。

■成本效率高
随着计算机处理器价格的急剧下降，机器视觉系统成本效率也变得越来越高。

一个价值10000美元的视觉系统可以轻松取代三个人工探测者，而每个探测者每年需要20000美元的工资。

另外，视觉系统的操作和维持费用非常低。

■灵活性
视觉系统能够进行各种不同的测量。

当应用变化以后，只需软件做相应变化或者升级以适应新的要求即可。

许多应用满意过程控制（SPC）的公司正在考虑应用机器视觉系统来传递持续的、协调的和精确的测量SPC命令。

在SPC中，制造参数是被持续监控的。

整个过程的控制就是要保证这些参数在一定的范围内。

这使制造者在生产过程失去控制或出现坏部件时能够调节过程参数。

机器视觉系统比光学或机器传感器有更好的可适应性。

它们使自动机器具有了多样性、灵活性和可重组性。

当需要改变生产过程时，对机器视觉来说“工具更换”仅仅是软件的变换而不是更换昂贵的硬件。

当生产线重组后，视觉系统往往可以重复使用
机器视觉系统的构成
机器视觉技术用计算机来分析一个图像，并根据分析得出结论。

现今机器视觉有两种应用。

机器视觉系统可以探测部件，在此光学器件允许处理器更精确的观察目标并对哪些部件可以通过哪些需要废弃做出有效的决定；机器视觉也可以用来创造一个部件，即运用复杂光学器件和软件相结合直接指导制造过程。

尽管机器视觉应用各异，但都包括以下几个过程；
■图像采集
光学系统采集图像，图像转换成模拟格式并传入计算机存储器。

■图像处理
处理器运用不同的算法来提高对结论有重要影响的图像要素。

■特性提取
处理器识别并量化图像的关键特性，例如印刷电路板上洞的位置或者连接器上引脚的个数。

然后这些数据传送到控制程序。

■判决和控制。