第五章--CCD-图像传感器ppt课件

我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第五章第五章 CCD 图像传感器图像传感器 图图像像传传感感器器(Imaging Sensor,缩缩写写为为IS，又又称称成成像像器器件件、摄摄像像器器件件)作作为为现现代代视视觉觉信信息息获获取取的的一一种种基基础础器器件件，因因其其能能实实现现信信息息的的获获取取、转转换换和和视视觉觉功功能能的的扩扩展展(光光谱谱拓拓宽宽、灵灵敏敏度度范范围围扩扩大大)，能能给给出出直直观观、真真实实、层层次次最最多多、内内容容最最丰丰富富的的可可视视图图像像信信息息，所所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光可见光和非可见光)、转换为按时序串行输出的电、转换为按时序串行输出的电信号信号 视频信号，而视频信号能再现入射的光视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。的过程称为扫描。第五章 CCD 图像传感器 图像传感器(Imaging S1我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管像管(如光导摄像管、飞点扫描管等如光导摄像管、飞点扫描管等)来完成。来完成。60年年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MOS集集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到发展，到70年代末期。已有一系列产品在军事、民年代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛应用。用各方面得到广泛应用。固体图象传感器固体图象传感器(Solid State Imaging Sensor 缩缩写为写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件主要有三大类型、一种是电荷耦合器件(Charge Coupled Device简称简称CCD)，第二种是，第二种是MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array，简称，简称SSPA)，第三种是，第三种是电荷注入器件电荷注入器件(Charge Injection Device，简称，简称CID)。目前，前两种用得比较多。目前，前两种用得比较多。50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像2我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：(1)全全固固体体化化，体体积积很很小小，重重量量轻轻，工工作作电电压压和和功功耗耗都都很很低；耐冲击性好可靠性高，寿命长。低；耐冲击性好可靠性高，寿命长。(2)基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。扰。(3)红红外外敏敏感感性性。硅硅的的SSPA光光谱谱响响应应：0.201.0；CCD可可作作成成红红外外敏敏感感型型；CID主主要要用用于于光光谱谱响响应应大大于于35微微米米的的红外敏感器件。红外敏感器件。(4)象象元元尺尺寸寸的的几几何何位位置置精精度度高高(优优于于1微微米米)，因因而而可可用用于不接触精密尺寸测量系统。于不接触精密尺寸测量系统。(5)视频信号与微机接口容易视频信号与微机接口容易 主主要要应应用用领领域域：小小型型化化黑黑白白/彩彩色色TV摄摄象象机机；传传真真通通讯讯系系统统；光光学学字字符符识识别别（OCR:Optical Character Recognition）；工工业业检检测测与与自自动动控控制制；医医疗疗仪仪器器；多多光谱机载和星载遥感；光谱机载和星载遥感；天文应用；天文应用；军事应用。军事应用。同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：3我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 CCD摄像器件由光敏（光积分）摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对应一存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。各单元的基本个象素如下图所示。各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。半导体构成。VG加正向偏压后在加正向偏压后在半导体内形成半导体内形成“电子势阱（耗尽区）电子势阱（耗尽区）”，势阱的深度由，势阱的深度由VG的大小来控的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用这些电子的注入方式既可用“光注光注入入”（光敏单元采用光注入），也（光敏单元采用光注入），也可以用可以用“电注入电注入”（转移电荷时采（转移电荷时采用电注入）。用电注入）。CCD摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移4我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 对对于于光光敏敏单单元元，当当受受到到光光线线照照射射时时，在在光光子子的的作作用用下下，半半导导体体内内产产生生电电子子空空穴穴对对，空空穴穴被被排排斥斥，电电子子被被电电子子势势阱阱俘俘获获。这这种种光光生生电电子子作作为为反反映映光光强强的的载载体体电电荷荷包包被被收收集集，成成为为光光电电荷荷注注入入，这这就就是是CCD摄摄像像器器件件的的光光电电变变换换过过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。光线光线 对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作5我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 读出移位寄存器的读出移位寄存器的工作原理工作原理是依靠是依靠MOS电容电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当增加，势阱变深；当VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱6我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物n在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。n加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。n当当UG Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子体内的电子(少子少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。n反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。电荷存储电荷存储在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的7我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.1 CCD图像传感器图像传感器5.1 CCD图像传感器8我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物电荷的转移（耦合）电荷的转移（耦合）9我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物电荷的转移（耦合）n第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。n若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。nCCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1m的间隙长度是足够了。电荷的转移（耦合）第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由10我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第五章-CCD-图像传感器ppt课件11我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物n主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。n输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。n电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。的工作原理的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。12我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物n在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。n为了实现电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。n以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。的工作原理的工作原理在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半13我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 为确保为确保CDD的转移功能，对时钟脉冲的要求的转移功能，对时钟脉冲的要求是：是：1 1）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交叠）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交叠区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存，区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存，以保证在这两个势阱间进行充分转移；以保证在这两个势阱间进行充分转移；2 2）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表面）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表面处于耗尽状态；处于耗尽状态；3 3）时钟脉冲幅度选取得当。）时钟脉冲幅度选取得当。为确保CDD的转移功能，对时钟脉冲的要求是：14我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 CCD的特性参数的特性参数作为成像器件，作为成像器件，CCD的主要特性参数仍然是的主要特性参数仍然是灵敏度、分辨力、光谱响应以及信噪比等。灵敏度、分辨力、光谱响应以及信噪比等。但但CCD还起着电荷传输的作用，故还应包还起着电荷传输的作用，故还应包括转移效率、噪声、功耗等参数。括转移效率、噪声、功耗等参数。主要参数：主要参数：1转移效率转移效率 和损耗率和损耗率2时钟频率的上、下限时钟频率的上、下限3光谱特性和光电特性光谱特性和光电特性 CCD的特性参数作为成像器件，CCD的主要特性参数仍然是灵15我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物CCDCCD的特性参数的特性参数n像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等n像素数是指CCD上感光元件的数量。4444万（万（768*576768*576）、）、100100万（万（1024*10241024*1024）、）、200200万（万（1600*12001600*1200）、）、600600万万（2832*21282832*2128）n信噪比：典型值为典型值为46分贝分贝n感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外CCD的特性参数像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等16我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物n CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 表面沟道CCD(简称SCCD)。2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。的类型的类型17我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物的类型n线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。n面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。n目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。的类型线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从18我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.2 CCD图像测量的二值化图像测量的二值化CCD图像测量的基本原理是：光学系统把被图像测量的基本原理是：光学系统把被测对象的光信息投射在测对象的光信息投射在CCD的光敏面元上，的光敏面元上，形成了光学图像。由形成了光学图像。由CCD器件把光敏元上的器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累起来的光电荷在一定频率的时钟脉冲的驱动起来的光电荷在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在下，在CCD 输出端得到被测对象的视频信号。输出端得到被测对象的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出的时该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出的时序则对应着序则对应着CCD光敏元位置的顺序。通过后光敏元位置的顺序。通过后续处理线路对续处理线路对CCD输出的视频信号进行二值输出的视频信号进行二值化或量化处理后，将被测对象从背景中分离出化或量化处理后，将被测对象从背景中分离出来，为下一步的数据处理做好准备。来，为下一步的数据处理做好准备。5.2 CCD图像测量的二值化CCD图像测量的基本原理是：19我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物图7-5-12 二值化处理二值化处理电路二值化处理电路图7-5-12 二值化处理二值化处理电路20我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.2 CCD图像测量的基本原理图像测量的基本原理二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。光学系统把被测对象成像在对待。光学系统把被测对象成像在CCD光敏元光敏元上，由于被测对象与背景在光强上的强烈变化，上，由于被测对象与背景在光强上的强烈变化，反映在反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸边界视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有急剧的电平变化，通过二值化处理把处会有急剧的电平变化，通过二值化处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。实现成二值电平。实现CCD视频信号二值化的处理视频信号二值化的处理由硬件电路完成，常采用电压比较器，即将视频由硬件电路完成，常采用电压比较器，即将视频信号与某一电平阈值比较，视频信号电平高于阈信号与某一电平阈值比较，视频信号电平高于阈值的部分输出高电平，而低于阈值部分输出低电值的部分输出高电平，而低于阈值部分输出低电平，形成具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号，平，形成具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号，该脉冲宽度对应被测对象的图像尺寸大小，如上该脉冲宽度对应被测对象的图像尺寸大小，如上图所示。图所示。5.2 CCD图像测量的基本原理二值化处理是把图像和背景作21我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物线阵线阵CCD：一行，扫描；：一行，扫描；体积小，价格低；体积小，价格低；面面阵阵CCD:整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；面阵面阵CCDCCD芯片芯片线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低；面阵CCD:整幅22我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物CCDCCD在检测方面的应用在检测方面的应用n几何量测量测宽、测长、测径。n光谱测量光谱仪输出信号测量。CCD在检测方面的应用几何量测量23我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.3 CCD玻管尺寸测控仪玻管尺寸测控仪CCD尺寸测量技术是一种非常有效的非接触检测方法，广泛应用于在线检测工件的尺寸。CCD玻管尺寸测控仪就是测量的一个应用实例，它对玻管外圆直径及壁厚尺寸进行实时监测，并根据测量结果对生产过程进行控制。光源照射被测玻管，经光学系统成像在CCD光敏阵列面上。由于各处透射率的不同，玻管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强而形成亮带。两条暗带最外的边界距离是玻管外径成像的大小，中间亮带是玻管内径像的大小，暗带则是玻管壁厚像的大小，如图所示，CCD视频信号上出现了两个谷 5.3 CCD玻管尺寸测控仪CCD尺寸测量技术是一种非常有24我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.3 CCD玻管尺寸测控仪玻管尺寸测控仪图7-5-14 系统结构框图系统结构框图系统结构框图5.3 CCD玻管尺寸测控仪图7-5-14 系统结构框图系25我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.3 CCD玻管尺寸测控仪玻管尺寸测控仪图7-5-13 CCD视频信号CCD视频信号视频信号5.3 CCD玻管尺寸测控仪图7-5-13 CCD视频信号26我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.3 CCD玻管尺寸测控仪玻管尺寸测控仪把视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二值化处理，填入标准时钟脉冲，该时钟脉冲对应CCD空间分辨率，由计算机采集这两个尺寸对应的脉冲数，经数据处理后可得到被测玻管的尺寸。本系统被测玻管的直径尺寸为20mm，光学系统的放大率为0.8倍，则玻管像的大小为16mm，被测玻管的测量精度要求达到0.05mm，他在像面上对应精度为0.04mm。根据CCD测量灵敏度的要求，0.04mm要大于2个CCD像素的空间尺寸。选择TCD102C型号CCD可满足上述测量范围和精度的要求。该器件的技术指标为：2048感光像素元，14微米相邻像素中心距，工作时钟1MHz，两相驱动，同步脉冲宽度128微秒，同步周期：7.5ms。5.3 CCD玻管尺寸测控仪把视频信号中的外径尺寸部分和壁27我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸棒状物长度的非接触式精密在线测量，是采用平行光源对被测物垂直照射，形成被测物的轮廓图像并把它投影在CCD图像传感器上，轮廓图像转变成CCD图像传感器的输出信号，该信号经二值化处理后，再由单片机进行数据采集及信号处理，最后由计算机的屏幕显示出来。整个测量系统如图所示 5.4 线阵CCD在线测量棒状物尺寸棒状物长度的非接触式精密28我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物图中，平行光源、棒图中，平行光源、棒状物参比端及状物参比端及CCD图像传感器必须置于图像传感器必须置于同一基准面上。棒状同一基准面上。棒状物被测端、平行光中物被测端、平行光中心轴线和心轴线和CCD的中的中心点要大致位于同一心点要大致位于同一直线上。直线上。平行光源的作用是产平行光源的作用是产生一束高平行度的光生一束高平行度的光线，以使棒状物经平线，以使棒状物经平行光垂直照射后在行光垂直照射后在CCD上形成上形成1：1的的高精度像。高精度像。5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸7-5-16 棒状物成像系统及CCD输出波形图中，平行光源、棒状物参比端及CCD图像传感器必须置于同一基29我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸平行光源是本系统中的一个关键设备，它采用高亮度白炽平行光源是本系统中的一个关键设备，它采用高亮度白炽灯作为光源，经组合透镜后形成平行光束，因而具有结构灯作为光源，经组合透镜后形成平行光束，因而具有结构简便、平行度高及亮度均匀等特点。简便、平行度高及亮度均匀等特点。本系统中使用的本系统中使用的CCD型号为型号为TCD141C，像点尺寸为，像点尺寸为7m，共，共5000个像点，测量长度范围为个像点，测量长度范围为35mm。由平行光源、。由平行光源、CCD图像传感器及棒状物构成的成像系统以及图像传感器及棒状物构成的成像系统以及CCD视频视频输出信号的波形如上图所示。输出信号的波形如上图所示。图中，棒状物挡住了部分平行光，未被挡住的平行光照射图中，棒状物挡住了部分平行光，未被挡住的平行光照射在在CCD上成像。上成像。OS1和和OS2分别为分别为CCD奇数位和偶数位像奇数位和偶数位像点的脉冲输出波形。奇、偶位像点脉冲有一个相位差。利点的脉冲输出波形。奇、偶位像点脉冲有一个相位差。利用这个相位差可以很方便地对成像信号进行二值化处理。用这个相位差可以很方便地对成像信号进行二值化处理。SHSH为周期扫描信号脉冲，利用为周期扫描信号脉冲，利用SH可作为计数的定位脉可作为计数的定位脉冲。冲。5.4 线阵CCD在线测量棒状物尺寸平行光源是本系统中的一个30我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸信号处理首先对CCD成像信号进行二值化处理。在光源照射下，CCD的成像电平在对应于棒状物被测端应有明显的电平变化，通过二值化处理可以把CCD视频信号中对应的图像尺寸边界分离出来，CCD视频信号二值化处理的硬件电路如图所示。5.4 线阵CCD在线测量棒状物尺寸信号处理首先对CCD成像31我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸CCD图像传感器的奇数位和偶数位输出的信号OS1和OS2经放大后和同一个阈值电平进行电压比较，根据这两路视频信号脉冲相位错叠的特点，通过逻辑电路合成一个方波 0 0,该方波的该方波的前沿代表棒状物被测端的位置前沿代表棒状物被测端的位置(即图中的即图中的h1)。实。实践证明，我们只要选择合适的阈值，可以满足践证明，我们只要选择合适的阈值，可以满足测量精度的要求。测量精度的要求。单片机的功能主要有两个，一是完成棒状物参单片机的功能主要有两个，一是完成棒状物参与成像的长度的定时计数功能，二是完成棒状与成像的长度的定时计数功能，二是完成棒状物整个长度物整个长度h=h1+h0的数据转换，并送给计算机的数据转换，并送给计算机进行处理，进行处理，其中其中h0代表棒状物未参与成像的固代表棒状物未参与成像的固定长度。定长度。5.4 线阵CCD在线测量棒状物尺寸CCD图像传感器的奇数位32