四輪定位光學(xué)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)

1、與四輪定位相關(guān)的光學(xué)測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了 PSD、CCD、CMOS等3個(gè)發(fā)展階段。目前最成熟可靠，且性能價(jià) 格比最好的技術(shù)當(dāng)屬CMOS光學(xué)成像技術(shù)。本文將對(duì)這些技術(shù)作詳細(xì)介紹。關(guān)于PSDPSD （Position Sensitive Detectors），即位置敏感傳感器。特點(diǎn)：精度低、測(cè)量重復(fù)性差、電路復(fù)雜，測(cè)量時(shí)需另加AD轉(zhuǎn)換電路，測(cè)量結(jié)果容易受AD轉(zhuǎn)換電路 噪聲、外界溫度及光線的影響。PSD是一塊半導(dǎo)體的感光板，上面有三根電極，一根連在它的背面，另外兩根連在兩頭。當(dāng)一個(gè)點(diǎn)形狀 的光照在板上面，在板兩頭的電極上就會(huì)有電流流出。此電流與光點(diǎn)照在板上的位置有關(guān)系，根據(jù)這兩端 流出電流進(jìn)行比較可算出點(diǎn)

2、形狀的光照在板上的具體位置。由于環(huán)境光的影響，如果有其他的背景光線和反射的、折射的光點(diǎn)也射入PSD的感光板上，那么輸出的 電流將是感光板收到的所有光的總和，可產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸出電流。理輪上在沒(méi)有環(huán)境光的影響下，PSD可以 達(dá)到一定的精確度，但在四輪定位應(yīng)用中環(huán)境光的影響是無(wú)法避免的。而CCD及CMOS是輸出一串脈沖 電壓信號(hào)，可用一些特殊的數(shù)值信號(hào)處理技術(shù)將環(huán)境光過(guò)濾消除。PSD是以連續(xù)電流的方式輸出，無(wú)法有 效分辯環(huán)境光的影響，因此測(cè)量精度、重復(fù)度不好。點(diǎn)形光的照射位置以電流的方式輸出的PSD，還需要 AD轉(zhuǎn)換。此外，環(huán)境溫度、電池電源變化都會(huì)引起AD轉(zhuǎn)換率的變化，這樣的變化也會(huì)降低系統(tǒng)測(cè)量的精

3、 度和測(cè)量效果。因此，PSD產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性較差，需要經(jīng)常對(duì)設(shè)備進(jìn)行校正。在國(guó)際上，PSD是上世 紀(jì)七、八十年代初期產(chǎn)品所采用的技術(shù)。目前，國(guó)際、國(guó)內(nèi)主流四輪定位儀廠家均已淘汰了該技術(shù)。關(guān)于CCDCCD（Charge Couples Devices），即充電耦合傳感器，由美國(guó)貝爾研究室于1969年發(fā)明。當(dāng)初發(fā)明的目 的是想作為內(nèi)存記憶用，但意外發(fā)現(xiàn)此CCD有很好的光電成像效果。特點(diǎn)：穩(wěn)定度高、測(cè)量重復(fù)性好，但速度慢、功耗高、結(jié)構(gòu)特殊、生產(chǎn)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高。CCD主要是由一對(duì)MOS（Metal -Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體）充電電容與儲(chǔ)電電容耦合而 成的相敏單元，又

4、稱像素（pixel），就是一個(gè)點(diǎn)。充電電容部分可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電能，儲(chǔ)電電容部分不 感光但可儲(chǔ)存電能，另由電路將儲(chǔ)電電容部分串連成一行。讀取時(shí)可經(jīng)此電路將各個(gè)相敏單元（像素）收 到的光電能以電脈沖信號(hào)的方式一個(gè)個(gè)地送出。每一個(gè)脈沖信號(hào)只反映一個(gè)像素的受光情況，脈沖幅度的 高低反映該像素受光的強(qiáng)弱，讀出的脈沖的順序可以反映像素的位置。通常，CCD將一串像素排列成一行，單行或雙行的CCD芯片稱為線陣CCD，許多行排成一面的稱為面 陣CCD。面陣CCD主要應(yīng)用于錄像機(jī)，二十年前錄像機(jī)上大都標(biāo)有CCD，強(qiáng)調(diào)采用了新技術(shù)。電視機(jī)顯 像的寬高比是4:3，面陣CCD的行列比也都是4:3。線陣CCD芯片主要

5、應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防以及需要高速成 像的工業(yè)相機(jī)。雙行像素的目的是取彩色影像，一般的四輪定位儀采用單行像素CCD。當(dāng)用CCD芯片設(shè)計(jì)相機(jī)時(shí)，可將點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡片（或長(zhǎng)孔）轉(zhuǎn)成長(zhǎng)條光，投影到CCD像素行上。 在線陣CCD線上有千百個(gè)獨(dú)立像素，入射光的位置可以直接對(duì)應(yīng)像素的充電部分產(chǎn)生充電。該充電經(jīng)位移 到電容部分后可以脈沖信號(hào)輸出，從讀出像素的對(duì)應(yīng)位置可判斷入射光的投影位置。因此，這種以像素決 定入射光投影位置的方法不容易受環(huán)境光線和背景光線及反射、折射光的干擾。背景環(huán)境光只能影響單個(gè) 像素，適當(dāng)?shù)亟?jīng)數(shù)值信號(hào)處理后，測(cè)量精度和測(cè)量效果可得到保證?，F(xiàn)代工藝可將CCD像素做成微小到14呻，即兩個(gè)相敏單

6、元之間的距離為14呻。由于充電與電容耦合 的需要，充電部分只有7呻，另一半是不感光的電容部分，如2000像素的線陣CCD的分辨率為土0.01時(shí)， 其測(cè)量范圍可達(dá)10。四輪定位角度可用簡(jiǎn)單的光源投影像素位置及焦距計(jì)算得出。由于溫度、濕度、環(huán) 境光線、背景光及反射光只能影響每個(gè)像素的受光情況及脈沖幅度的高低，不能影響投影像素位置，因此 測(cè)量穩(wěn)定度、重復(fù)度高。十幾年前，美國(guó)大熊CCD-3000四輪定位機(jī)最先采用CCD技術(shù)，德國(guó)的百世霸跟進(jìn)，美國(guó)的亨特與戰(zhàn) 車觀望數(shù)年后也跟進(jìn)采用了 CCD。由于CCD的結(jié)構(gòu)特殊，需采用專用制造設(shè)備及特殊生產(chǎn)工藝，且生產(chǎn)CCD的投資無(wú)法和其他產(chǎn)品分?jǐn)偅?因此CCD生產(chǎn)成

7、本很高。關(guān)于CMOSCMOS( Complimentary Metal -Oxide Semiconductor)，即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是一種較新的半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)。十年來(lái)CMOS已取代了許多其他技術(shù)，而成為電子工業(yè)的主流工藝。近年來(lái)CMOS技術(shù)開始應(yīng)用 到成像芯片，成功地普及到了數(shù)碼像機(jī)、傳真機(jī)及掃描機(jī)。相信，今后幾年內(nèi)CMOS必定會(huì)取代CCD，成 為攝像芯片的主流。特點(diǎn)：抵抗環(huán)境光能力強(qiáng)，速度快，電源及耗電量低，成像質(zhì)量高，可靠性好，測(cè)量重復(fù)性高。和CCD 一樣，CMOS也有充電電容結(jié)構(gòu)，也有相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)電電容，以類似方法將收到的光電能以電脈 沖信號(hào)的方式輸出。同樣，每一個(gè)脈沖信號(hào)只反映一個(gè)

8、像素的受光情況，脈沖幅度的高低反映該像素受光 情況并代表該像素受光的強(qiáng)弱，讀出脈沖的順序可以反映像素的位置。入射光投影的位置不受溫度、濕度、 環(huán)境光線和背景光線及反射、折射光干擾，因此CMOS的測(cè)量穩(wěn)定度、重復(fù)度與CCD 一樣高。PSD、CCD、CMOS三大光學(xué)測(cè)量核心技術(shù)的比較PSD與CCD及CMOS相比CCD、CMOS是數(shù)碼輸出，PSD是模擬量輸出。PSD是靠?jī)啥溯敵鲭娏鞯谋容^值，以此決定角度。三者 都受環(huán)境光線和背景光線及反射、折射光的影響，且PSD輸出的模擬電流需要AD處理后轉(zhuǎn)為數(shù)字量。此 轉(zhuǎn)化過(guò)程可能受電路噪聲以及溫度、濕度影響，在數(shù)據(jù)處理方面精度很難達(dá)到CCD以及CMOS的精度和

9、測(cè)量重復(fù)度。理論上在沒(méi)有環(huán)境光的影響下，PSD可以達(dá)到一定的精確度，但在四輪定位應(yīng)用中環(huán)境光的 影響是無(wú)法避免的。而CCD及CMOS輸出一串脈沖電壓信號(hào)，可用一些特殊的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將環(huán)境 光過(guò)濾消除。因此，PSD技術(shù)在國(guó)內(nèi)以及國(guó)際上都已經(jīng)先后被知名廠家所淘汰。CCD與CMOS的技術(shù)對(duì)比CMOS與CCD均采用硅結(jié)構(gòu)，二者在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS 是集成在被稱作金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，工作原理沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)前的CMOS可與市場(chǎng)上的最好的CCD相媲美，但CMOS的顏色質(zhì)量、噪音和敏感度相當(dāng)或優(yōu)于CCD,且尺寸、費(fèi)用和電量消耗等方面都 很優(yōu)越。從技術(shù)角度看

10、，CCD與CMOS有如下區(qū)別：信息讀取方式CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息需在同步信號(hào)控制下，一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，因此讀取輸出信號(hào) 需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接 產(chǎn)生電流（或電壓）信號(hào)，信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)便。速度CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電 傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快 得多。電源及耗電量CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非 常小，僅為CCD電

11、荷耦合器的1/8到1/10。CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)。成像質(zhì)量CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早、技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅隔離層隔離噪聲，在初期CCD成 像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。但近年來(lái)，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，CMOS的 成像質(zhì)量已經(jīng)可以與CCD相媲美。生產(chǎn)成本CCD只有少數(shù)幾個(gè)廠商（例如索尼、松下等公司）掌握這種技術(shù)，其制造工藝復(fù)雜、功耗大、成本較高， 所以采用CCD的傳感器價(jià)格都會(huì)相對(duì)比較貴。然而經(jīng)過(guò)不斷技術(shù)改造，目前市場(chǎng)上銷售的數(shù)碼攝像頭中都 以CMOS感光器件為主。在采用CMOS為感光元器件的產(chǎn)品中，通過(guò)采用影像光源自動(dòng)增益補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)， 自動(dòng)亮度、色飽和度、對(duì)比度等先進(jìn)的影像控制技術(shù)，完全可以達(dá)到與CCD攝像頭相媲美的效果，而且 CMOS的制造成本和功耗都比CCD低得多。強(qiáng)光補(bǔ)償CMOS與CCD最大的不同點(diǎn)是CMOS像素充電與儲(chǔ)存設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同。CCD儲(chǔ)存輸出的偶合結(jié)構(gòu)必