《傳感器原理及應(yīng)用》課件1第10章

10.1CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)與原理10.2CCD圖像傳感器的信號傳輸原理10.3CCD圖像傳感器的分類和主要特性10.4CCD圖像傳感器的應(yīng)用思考題第10章CCD圖像傳感器

10.1

CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

10.1.1

CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)

CCD的形成過程是：在P(或N)型硅基體上，生成一層SiO2絕緣層，再于絕緣層上淀積一系列間隙相隔很小(小于0.3μm)的金屬電極(柵極)，每個金屬電極和它下面的絕緣層及半導體硅基體形成一個MOS電容器，故CCD實際上是由一系列MOS電容器構(gòu)成的MOS陣列。由于這些MOS電容器彼此靠得很近，故它們之間可以發(fā)生耦合，使被注入到MOS電容器中的電荷可以有控制地從一個電容器移位到另一個電容器。這樣的電荷轉(zhuǎn)移過程是電荷耦合的過程，故這類器件被稱為電荷耦合器件。

CCD作為圖像傳感器使用時，其基本結(jié)構(gòu)及工作方式有以下三種：

(1)線陣CCD。圖像從垂直于器件像元排列的方向掃描，以記錄在線陣CCD上。讀出時，每個成像的CCD像元將電荷包轉(zhuǎn)移到移位寄存器的一個單元(一個字，而不是一位)，沿水平方式快速讀出。

(2)面陣幀轉(zhuǎn)移CCD。成像單元與移位單元整幀地分開。在成像的積分時間內(nèi)，CCD像元的一半面積記錄圖像，然后在回掃時間內(nèi)快速轉(zhuǎn)移到擋光的另一半面積的像元(移位寄存單元)上。在對后一半像元以常規(guī)視頻速率讀出的同時，開始進行下一幀圖像的積分。

(3)面陣行轉(zhuǎn)移CCD。每兩行成像單元之間都夾有一行不透明的移位寄存單元。在成像時間內(nèi)，傳輸門關(guān)閉，電荷包在成像單元上積分，不向寄存單元轉(zhuǎn)移，已轉(zhuǎn)移到寄存單元上的前一幀圖像以視頻速率讀出。當傳輸門開啟時，每行成像單元上存儲的圖像電荷包同時轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的行間讀出寄存器上。10.1.2

CCD圖像傳感器的工作原理

圖10-1所示為在熱氧化P型硅襯底上淀積金屬而構(gòu)成的一只MOS電容器。從半導體的原理得知，若在某一時刻給它的金屬電極加上正向電壓U，P型硅半導體中的多數(shù)載流子(空穴)便會受到排斥，在硅表面處就會形成一個耗盡區(qū)。這個耗盡區(qū)與普通的PN結(jié)一樣，同樣也構(gòu)成空間電荷區(qū)。在一定條件下，所加U越大，耗盡區(qū)就越深。對于帶負電的電子來說，耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域，稱為電子“勢阱”，如圖10-2所示。勢阱又有存儲電子(電荷)的功能，每一個加正電壓的電極下就是一個勢阱。勢阱的深度取決于正電壓U的大小，勢阱的寬度取決于金屬電極的寬度。圖10-1

MOS基本單元結(jié)構(gòu)圖10-2電子“勢阱”如果此時有光線入射到半導體硅片上，則在光子的作用下，半導體硅片上就形成電子和空穴，由此產(chǎn)生的光生電子被附近的勢阱所吸收(或稱俘獲)，而同時產(chǎn)生的空穴則被電場排

斥出耗盡區(qū)。此時勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強成正比。人們稱這樣一個MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元，或稱為一個像素。把一個勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個電荷包。通常在半導體硅片上制有幾百個或幾千個相互獨立的MOS元，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列。如果在金屬電極上施加一正電壓，則在這半導體硅片上就形成幾百個或幾千個相互獨立的勢阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則在這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。這就是電荷耦合器件的光電效應(yīng)的基本原理。

CCD電荷(少數(shù)載流子)有電壓信號注入和光信號注入兩種產(chǎn)生方式。作為圖像傳感器，CCD接收的是光信號，即光信號注入。當光信號照射到CCD硅片上時，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子而產(chǎn)生電子-空穴對。這時在柵極電壓的作用下，多數(shù)載流子(空穴)將流入襯底，而少數(shù)載流子(電子)則被收集在勢阱中，形成信號電荷存儲起來。這樣，高于半導體禁帶寬度的那些光子就能建立起正比于光強的存儲電荷。

10.2

CCD圖像傳感器的信號傳輸原理

CCD工作時，首先對光信號(或電信號)進行電荷取樣，并把取樣的電荷轉(zhuǎn)移、存儲在CCD相應(yīng)的勢阱中，然后在推進時鐘脈沖的作用下，使電極下勢阱的深度有相應(yīng)的變化，從而使這些代表信息的電荷包定向地轉(zhuǎn)移到CCD的輸出端，變成相應(yīng)的電信號輸出。10.2.1電荷轉(zhuǎn)移

CCD器件有二相、三相、四相等幾種時鐘脈沖驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式。其中最方便的是由三相時鐘脈沖驅(qū)動的CCD器件，如圖10-3所示。在三相結(jié)構(gòu)CCD中，三個電極組成一個單元，形成一個像素。三個不同的脈沖驅(qū)動電壓按圖10-3(b)的時序提供，以保證形成空間電荷區(qū)的相對時序。圖10-3三相時鐘脈沖驅(qū)動的電荷轉(zhuǎn)移(a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)驅(qū)動和轉(zhuǎn)移示意圖設(shè)在某時刻t1第一相Φ1處于高電壓，Φ2、Φ3處于低電壓，則在t1電極下，形成較深的勢阱，如圖10-3(b)所示。若此時有光線入射到硅片上，在光子的激發(fā)下硅片上就會產(chǎn)生電子-空穴對。由于光擴散效應(yīng)，其中的空穴被排斥到硅基體頂，光生電子則被勢阱所收集。勢阱所收集的光生電子數(shù)量和入射到勢阱附近的光強成正比。此時，在柵壓作用下，CCD

器件上位于Φ1下的若干互相獨立的MOS元就會形成眾多相互獨立的勢阱。若照射在這些光敏元上的是一幅明暗不同的圖像，那么這些光敏元就會感生出一幅光照強度對應(yīng)的光生電荷

圖像，一幅光圖像就轉(zhuǎn)變成了電圖像。為了讀出存放在CCD中的電圖像，在順序排列的電極上施加交替變化的三相時鐘脈沖驅(qū)動電壓。在t＝t2時，Φ1電壓下降，Φ2跳變到最大，電荷包便從電壓為Φ1的各電極下形成的勢阱向電壓為Φ2的各電極下形成的勢阱轉(zhuǎn)移。到t3時刻，全部電荷包已轉(zhuǎn)移完畢。從t＝t3時刻開始，Φ2下降，Φ3跳變到最大，于是電荷包又從Φ2電極下轉(zhuǎn)移到Φ3電極上。當?shù)诙€重復周期開始時，重復上述轉(zhuǎn)移過程。這樣，交替升降的三相驅(qū)動時鐘脈沖便可以完成電荷包的定向轉(zhuǎn)移，在CCD末端就能依次接收到原先存儲在各個電極下的電荷包。10.2.2電荷輸出

信號電荷電流輸出如圖10-4所示。輸出柵OG加直流偏置，N+區(qū)與P型硅接觸處形成PN結(jié)，通過施加UD構(gòu)成反向偏置二極管，它是電子電荷的深勢阱。轉(zhuǎn)移到Φ2電極下MOS

元中的電荷包越過輸出柵流入到反向偏置二極管的深勢阱。若dt時間內(nèi)流入的信號電荷為QS，則二極管的輸出電流

ID為

(10-1)

則A點電壓為

(10-2)圖10-4電荷電流輸出轉(zhuǎn)移到Φ2電極下電荷包的電子增多，流入反向偏置二極管勢阱的電子電荷增多，則ID增大，A點電壓UA下降，故A點電壓變化受控于反向偏置二極管收集的信號電荷的量。A點電壓UA的變化ΔUA經(jīng)電容C耦合至放大器放大后輸出。場效應(yīng)管V為復位管，Φ2電極下勢阱未形成前在柵極G加復位脈沖ΦR，使A點電壓復位到UDD。而當信號電荷QS來到時，復位管V截止。A點電壓UA則由信號電荷QS和反向電流ID來控制。

10.3

CCD圖像傳感器的分類和主要特性

10.3.1

CCD圖像傳感器的分類

CCD圖像傳感器基本上可以分為線列型CCD和面陣型CCD兩大類。線列型CCD主要用于測量、傳真和光學文字識別技術(shù)等；面陣型CCD在照相錄像方面有很多應(yīng)用。

1.線列型CCD圖像傳感器

一維CCD圖像傳感器的構(gòu)成方式有：單溝道線列型圖像傳感器和雙溝道線列型圖像傳感器。

1)單溝道線列型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)

圖10-5是單溝道線列型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

其主要結(jié)構(gòu)組成包括：

(1)光敏區(qū)。它是由一列MOS電容光敏元組成的，用低阻多晶硅條作為這些光敏元的共同電極，稱之為光柵Φp。

(2)轉(zhuǎn)移區(qū)。轉(zhuǎn)移區(qū)主要由轉(zhuǎn)移柵及模擬移位寄存器組成。轉(zhuǎn)移區(qū)也是遮光區(qū)，用來防止轉(zhuǎn)移過程中因光生噪聲電荷的干擾而使圖像模糊。圖10-5單溝道線列型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)移柵Φt位于光柵Φp和CCD之間，它用來使光敏元勢阱中的信號電荷向CCD相應(yīng)電極轉(zhuǎn)移。模擬移位寄存器指的是CCD在這里所扮演的“角色”和數(shù)字電路中移位寄存器的作用一樣，因為如果我們把信息電荷的有無用邏輯“1”和“0”來表示的話，則信息電荷在CCDMOS電容器中轉(zhuǎn)移時，就好像是電位信號在移位寄存器中移動一樣。在排列上，光敏元與CCD的每位一一對齊。各光敏元通向CCD的轉(zhuǎn)移溝道互相被隔開，以防止各信號電荷在轉(zhuǎn)移時引起混亂，并且光敏元只通向每位CCD的固定相。

2)單溝道線列型CCD的工作原理

CCD圖像傳感器的工作原理是把入射到CCD上的一維圖像，分成若干個與光的強弱成比例的像點，然后通過積分、轉(zhuǎn)移、傳輸、讀出、計數(shù)幾個步驟把在空間上分布的像點按一

定的時間順序串行輸出，將其轉(zhuǎn)化成與光強成正比的電壓信號。顯然像點越多，分辨率越高，從而光敏元以及CCDMOS陣列的位數(shù)就要求越多。目前生產(chǎn)的CCD陣列已可高達5732個分辨單元。但是，CCD陣列的位數(shù)增多，就要增加電荷包的轉(zhuǎn)移次數(shù)。由于CCD中的界面對信息電荷具有俘獲作用，信息電荷在CCD移位寄存器中每移動一位，就要損失一部分信息電荷，如果轉(zhuǎn)移的次數(shù)太多，不僅使輸出信號變小，而且還會引起圖像信號失真。為了解決這個矛盾，常采用的措施是把單通道變成雙通道。

3)線列型雙通道CCD圖像傳感器

為了盡可能減少信息電荷在傳輸過程中的損失，應(yīng)設(shè)法減少其轉(zhuǎn)移的次數(shù)，通常采用雙通道圖像傳感器。

雙通道CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)如圖10-6所示，兩列CCD移位寄存器平行地配置在光敏區(qū)的兩側(cè)，雙通道線列型CCD的工作原理基本上與單通道相同。當轉(zhuǎn)移脈沖到來時，光敏元中所積累的信息電荷在積分期間分別轉(zhuǎn)移到上下兩側(cè)的移位寄存器中。奇數(shù)元進入一側(cè)，偶數(shù)元進入另一側(cè)，然后在適當?shù)尿?qū)動脈沖的作用下，兩列移位寄存器將信息電荷按照正確的相位關(guān)系，轉(zhuǎn)移到輸出端合攏輸出。圖10-6雙溝道CCD結(jié)構(gòu)示意圖顯然，對同樣數(shù)目的光敏單元來說，雙通道線列型CCD要比單溝道線列型CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)減少近一半，因此大大提高了信息電荷轉(zhuǎn)移的總效率。一般線列型CCD的單元數(shù)如多于256個，都要用雙通道的結(jié)構(gòu)。

2.面陣型CCD圖像傳感器

面陣型CCD圖像傳感器分為幀場傳輸CCD面陣型傳感器與行間傳輸CCD面陣型傳感器兩種。

1)幀場傳輸CCD面陣型傳感器

幀場傳輸CCD面陣型圖像傳感器可簡稱為FT-CCD，其結(jié)構(gòu)如圖10-7所示。它是由感光區(qū)與暫存區(qū)構(gòu)成的。每個像素中產(chǎn)生和積蓄起來的信號電荷，依圖示箭頭方向，一行行地轉(zhuǎn)移至讀出寄存器，然后在信號輸出端依次讀出。圖10-8是感光區(qū)在信號電荷垂直方向上的截面圖。圖中示意畫出了A、B兩場信號電荷的積蓄情形。在控制電壓作用下，A場時，Φ1和Φ2電極下方形成了表面勢阱，即Φ1和Φ2電極下方的空間位置處于感光靈敏度的峰值。在下一場即B場時，Φ3和Φ4兩電極下方形成表面勢阱，峰值也移向那里。這樣一來，空間取樣頻率增加一倍。圖10-7

FT-CCD構(gòu)成圖10-8

FT-CCD隔行掃描原理

2)行間傳輸CCD面型圖像傳感器

行間傳輸CCD圖像傳感器可簡稱為IT-CCD，圖10-9所示是它的結(jié)構(gòu)。由圖可知，它的感光區(qū)與CCD轉(zhuǎn)移寄存器(其表面有光屏蔽物)是相互鄰接的。信號電荷按圖示方向轉(zhuǎn)移。

IT-CCD與FT-CCD相比，其信號電荷轉(zhuǎn)移級數(shù)大為減少。圖10-10是IT-CCD一級(或稱一個單元)的平面結(jié)構(gòu)。其中，光敏元件的功能是產(chǎn)生并積蓄信號電荷；排泄電荷部分的作用是排泄過量的信號電荷，控制柵極與排泄電荷部分的共同作用是避免過量載流子沿信道從一個勢阱溢泄到另一個勢阱，從而造成再生圖像的光學拖影與彌散；光敏元件兩側(cè)溝阻(CS)的作用是將相鄰的兩個像素隔離開來。正常的光生信號電荷，在控制柵(受時鐘脈沖控制)和寄存器控制柵雙重作用下，進入轉(zhuǎn)移寄存器；其后，在轉(zhuǎn)移柵控制下，沿垂直轉(zhuǎn)移寄存器的體內(nèi)通道，依次移向水平轉(zhuǎn)移寄存器讀出。圖10-9

IT-CCD的結(jié)構(gòu)圖10-10

IT-CCD一級的平面結(jié)構(gòu)10.3.2

CCD圖像傳感器的主要性能參數(shù)

CCD的主要性能參數(shù)是評定器件質(zhì)量優(yōu)劣的指標，也是根據(jù)實際需要選取器件的依據(jù)?，F(xiàn)簡要介紹如下。

1.靈敏度

CCD的靈敏度是指入射光在像元上產(chǎn)生單位曝光量時，在輸出端引起的輸出電壓的值。

設(shè)E為光源在像元上產(chǎn)生的輻照度，t為此時器件受到光照的時間，U為此時器件輸出的電壓，則其靈敏度SU為

(10-3)

通常，線列型性CCD的靈敏度為2～3V/(μJ·cm-2)，好的可達4.5V/(μJ·cm-2)。

2.轉(zhuǎn)移效率

CCD圖像傳感器的轉(zhuǎn)移效率是指經(jīng)過一次轉(zhuǎn)移以后，到達下一個勢阱中的信息電荷包中的電量Q1與原信息電荷包中電量Q0之比。如果轉(zhuǎn)移效率用η來表示，則有

(10-4)

不難知道，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后的輸出電量為

(10-5)

目前，表面溝道CCD的轉(zhuǎn)移效率一般為0.9999。

3.光譜響應(yīng)特性

光譜響應(yīng)特性是指光敏元件的輸出量(光電壓或光電流)與入射光的頻率(或波長)間的函數(shù)關(guān)系。光敏元的光譜特性，不論其頻率的響應(yīng)范圍還是其光譜響應(yīng)曲線的形狀，都與制成光敏元的材料、結(jié)構(gòu)以及制造的工藝等有很大的關(guān)系。例如對MOS電容結(jié)構(gòu)的光敏元來說，由于它由空氣、SiO2、多晶硅、SiO2及Si多層膜構(gòu)成，光在各界面層上被吸收和反射、折射和干涉，使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)許多峰谷，且使藍光的靈敏度下降。對于PN結(jié)的光敏元來說，光譜響應(yīng)曲線比較光滑，很少有峰谷的波動。

器件的光譜響應(yīng)范圍通常為0.4～1.1μm。

4.調(diào)制傳遞函數(shù)

分辨率是CCD的一個重要參數(shù)。所謂分辨率，是指圖像傳感器對景物中明暗細節(jié)的分辨能力。在國際上通常用調(diào)制傳遞函數(shù)(MFT)來表示分辨率。MFT定義為

(10-6)

其中，Mout(f)和Min(f)分別表示空間頻率為f時，輸入CCD圖像傳感器的圖像調(diào)制度和由傳感器輸出的圖像信號的調(diào)制度。

5.不均勻性

CCD圖像傳感器的不均勻性是指在均勻光照的條件下，其輸出端卻得到一系列幅值不同的脈沖信號的現(xiàn)象。通常是用平均誤差的大小來量度不均勻性的。CCD圖像傳感器的不均勻度一般小于±10％，好的可小于±5％。

6.噪聲

CCD圖像傳感器的噪聲主要來源于轉(zhuǎn)移噪聲、散粒噪聲和聲噪聲?？傇肼暿歉鞣N噪聲的疊加。器件的噪聲一般用均方根電子數(shù)來表示。表面溝道CCD一般的總噪聲為1000~2000個電子。CCD的性能參數(shù)除了以上介紹的主要幾種外，還有暗電流、飽和曝光量和輸出電壓等。

限于篇幅，這里就不一一介紹了。

10.4

CCD圖像傳感器的應(yīng)用

10.4.1

CCD傳感器應(yīng)用概述

CCD圖像傳感器因能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展，并能給出直觀、真實、層次多、內(nèi)容豐富的可視圖像信息，故在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。主要應(yīng)用領(lǐng)域

包括汽車應(yīng)用系統(tǒng)、監(jiān)督系統(tǒng)、玩具、視頻會議、指紋識別系統(tǒng)、沖突避免系統(tǒng)、增強型自適應(yīng)巡航控制、帶相機的移動電話和醫(yī)學圖像識別等。

CCD傳感器用于非電量的測量，主要用途大致歸納為以下三個方面：

(1)組成測試儀器，可測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點等。

(2)作光學信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，如用于傳真技術(shù)、光學文字識別技術(shù)、圖像

識別技術(shù)、光譜測量及空間遙感技術(shù)等方面。

(3)作自動流水線裝置中的敏感器件，可用于機床、自動售貨機、自動搬運車及自動監(jiān)視裝置等方面。表10-1、10-2分別列出了幾種典型傳感器的功能比較以及CCD傳感器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。由表可知，CCD圖像傳感器檢測精度高、實時性強、動態(tài)性能好，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。將CCD圖像傳感器與微處理機結(jié)合起來所構(gòu)成的人工視覺測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)非接觸的高精度在線檢測。以下以實例來介紹其廣泛應(yīng)用。10.4.2長度的測量

CCD圖像傳感器能對微小的長度進行精確的測量，也能對大尺寸物體的長度、直徑等進行非接觸的精密測量。

圖10-11是一種鋼管長度在線監(jiān)測的實例方框圖。由圖可知，在被測鋼管(1)的后面，有兩根安裝在同一條直線上的條狀光源(2)和(3)。設(shè)兩條狀光源外端間的距離d已知，光源未被待測鋼管遮住部分的長度分別為d1和d2，它們隨著被測鋼管的長度的不同而不同。顯然，如果能精確測得d1和d2的長度，則被測鋼管的長度為

L=d-(d1+d2)±Δ (10-7)

式中，Δ為測量誤差。圖10-11

CCD長度測量原理框圖為了測量d1和d2，可將未被遮住部分的條狀光源，通過放大倍數(shù)為1/M的兩個光學系統(tǒng)，分別成像在兩個CCD圖像傳感器的光敏元件上。由CCD的工作原理可知，這時在驅(qū)動脈沖的作用下，經(jīng)過一次掃描，所輸出的脈沖數(shù)N1和N2與d1和d2間有如下的關(guān)系：

d1+d2=M［(N1e+N2e)±2e］

(10-8)

式中，e為兩相鄰光敏元件的中心距離。為了使計數(shù)器能可靠地工作，需要先將CCD的輸出電壓的波形經(jīng)二值化電路(如施密特電路)整形，然后再輸入計數(shù)器。所有的上述計算過程，可以通過一個簡單的可編程序的計算器自動完成。

根據(jù)以上的原理不難設(shè)計出用CCD圖像傳感器對物體的直徑(如鋼管、棉紗、絲、毛細管的直徑等)、物體的厚度、面積等進行檢測的方案。10.4.3在光電精密測徑系統(tǒng)中的應(yīng)用

對軸類、桿類等工作直徑尺寸進行快速非接觸測量，特別是高精度的測量是工業(yè)生產(chǎn)中需要解決的問題。光電精密測徑系統(tǒng)采用CCD傳感器檢測技術(shù)，可以對工件進行高精度的自動檢測，不僅可以數(shù)字形式顯示測量結(jié)果，而且還可以對不合格件進行自動篩選，這一技術(shù)的測量精度可以達到0.003mm。

1.工作原理

光電精密測徑系統(tǒng)主要由CCD傳感器、測量電路系統(tǒng)和光學系統(tǒng)組成，其工作原理框圖如圖10-12所示。圖10-12光電精密測徑系統(tǒng)工作原理框圖被測工件被均勻照明后，經(jīng)過成像系統(tǒng)，按一定倍率、準確地成像在CCD傳感器的光敏面上，則在CCD傳感器光敏面上形成了被測件的影像，這個影像反映了被測件的直徑尺寸。被測件直徑與影像之間的關(guān)系為

(10-9)

式中：D——被測件的直徑大小；

D′——被測件直徑在CCD光敏面上影像的大小；

β——光學系統(tǒng)的放大率。

因此，只要測出被測件影像的大小，就可以由式(10-9)求出被測件的直徑大小。

2.電路系統(tǒng)

CCD傳感器是光電測徑系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，特別對于高精度的測量系統(tǒng)，必須合理地選擇CCD傳感器，使其與光學系統(tǒng)很好地匹配。一般應(yīng)根據(jù)測量范圍和測量精度來選擇CCD傳感器。

測量電路系統(tǒng)由CCD驅(qū)動電路、模擬放大器、二值化電路、尺寸檢測與偏差檢測電路等組成，其電路系統(tǒng)框圖如圖10-13所示。圖10-13測量電路系統(tǒng)框圖為了測量被測件的影像大小，必須將CCD傳感器輸出的視頻信號中反映被測件直徑尺寸部分進行二值化處理，即將輸出的視頻信號用電平切割比較后，通過電路提取被測件的直徑尺寸為脈沖信號，如圖10-14所示。圖中N為系統(tǒng)沒有加入被測件時，CCD傳感器輸出的脈沖數(shù)。當加入被測件時，經(jīng)二值化處理后輸出的脈沖數(shù)為N1+N2，則被測件的影像所對應(yīng)的脈沖數(shù)為N-(N1+N2)。將脈沖數(shù)乘以脈沖當量，便可得到被測件影像的大小，再由式(10-9)可以求出被測件的直徑尺寸為

(10-10)

式中，α為脈沖當量或CCD空間分辨率。圖10-14測量中的脈沖信號10.4.4

CCD成像技術(shù)

1.CCD數(shù)碼照相機

數(shù)碼照相機簡稱DC(DigitalCamera)，其實質(zhì)是一種非膠片照相機。它使用CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件。CCD由高感光度的半導體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕松地將數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段根據(jù)需要和想象來修改圖像。

CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。

CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CCD的工作結(jié)構(gòu)分三層，由微型鏡頭、分色濾色片、感光片三層組成，如圖10-15所示。圖10-15

CCD的結(jié)構(gòu)數(shù)碼相機成像的關(guān)鍵是在于其感光層。為了擴展CCD的采光率，必須擴展單一像素的受光面積，但是提高采光率的辦法也容易使畫質(zhì)下降，第一層微型鏡頭就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此，感光面積不再由傳感器的開口面積決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。

CCD的第二層是分色濾色片，幾乎所有人類可以識別的顏色，都可以通過紅、綠和藍組成，分色濾色片可以使畫質(zhì)銳利，色彩真實。

CCD的第三層是感光片，這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。當使用者將照相機對準物體按下快門時，照相機內(nèi)部的主控程序芯片開始工作，被攝圖像信號經(jīng)過鏡頭照射到CCD上，伺服電動機驅(qū)動鏡頭組前后移動，進行聚焦調(diào)節(jié)，確定對焦距離和快門速度，CCD捕捉