测控技术与仪器学习小组

1. 测控技术与仪器学习小组 小组成员： 刘文华 杨 亮 冯 鹏 李经纬 我们的口号——思想有多远， 我们就能走多远！

2. ＣＣＤ图像传感器 ---------------------------------- Charged Coupled Device (电荷藕合器件图像传感器)

6. CCD传感器概论 • 电子耦合组件即charged coupled device，它就像传统相机的底片一样的感光系统，是感应光线的电路装置，你可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方，当光线与图像从镜头透过、投射到ccd表面时，ccd就会产生电流，将感应到的内容转换成数码资料储存在相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡内。ccd像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。

7. CCD图像传感器的组成 • 第一层，微镜头； • 第二层，滤色片； • 第三层，感光元件. CCD图像传感器的每一个感光元件由一个光电二极管和控制相邻电荷的存储单元组成光电管当然是捕捉光子用的，它将光子转化成电子，收集到的光线越强产生的电子数量就越多，电子信号强了当然就越容易被记录而越不容易丢失，图像细节就更丰富了。

8. CCD传感器是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当于传统相机的胶卷。

9. 　目前，CCD的种类有很多，其中面阵型CCD是主要应用在数码相机中。它是由许多单个感光二极管组成的阵列，整体呈正方形，然后像砌砖一样将这些感光二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的CCD传感器。　目前，CCD的种类有很多，其中面阵型CCD是主要应用在数码相机中。它是由许多单个感光二极管组成的阵列，整体呈正方形，然后像砌砖一样将这些感光二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的CCD传感器。

10. CCD传感器的成像原理是使用感光二极管将光线转换为电荷，当拍摄者对焦完毕按下快门的时候，光线通过打开的快门（目前消费级数码相机基本都是采用电子快门）透过马赛克色块射入在CCD图像传感器上，感光二极管在接受光子的撞击后释放电子，所产生电子的数目与该感光二极管感应到的光成正比。

11. 当本次曝光结束之后，每个感光二极管上含有不同数量的电子，而我们在显示器上面看到的数码图像就是通过电子数量的多与少来进行表示和储存，然后控制电路从CCD中读取图像，进行红R、绿G和蓝B三原色合成，并且放大和将其数字化，这些数字信号被存入数码相机的缓存内，最后写入相机的移动存储介质完成数码相片的拍摄 。

12. CCD传感器有两种 第一、特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→8-14um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商业化产品,并广泛应用于各个领域。 第二、通用型或消费型CCD传感器在许多方面都有较大地进展，总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。

13. CCD传感器技术 发展的五个趋势

14. CCD传感器的像面尺寸向集成化各轻量化方向的发展:CCD传感器的像面尺寸向集成化各轻量化方向的发展: 由于制造CCD传感器的硅片和加工成本都很高，所以很希望一片6.5英寸的硅片上光刻出更多的CCD传感器芯片；以由于光刻机的进步，所以在仍保持具有很高灵敏度的特性下，CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展在1993年，1/2英寸的CCD传感器占总产量的5%;1/4英寸的CCD传感器占总产量的10%;1/3英寸的CCD传感器占总产量的85%。。

15. 在1997年，在总产量比1993年增200%以上的情况下，1/2英寸的CCD传感器仍有很大发展，已占总产量的15%（1/2英寸由于靶面较大仍有许多场合需要，尤其在科研领域中如MTV1881EX、MTV-2821CB摄像机）；1/4英寸的CD传感占总产量的60%。也就是说，1/2英寸较大靶面尺寸CCD传感器仍有很大增长。在1997年，在总产量比1993年增200%以上的情况下，1/2英寸的CCD传感器仍有很大发展，已占总产量的15%（1/2英寸由于靶面较大仍有许多场合需要，尤其在科研领域中如MTV1881EX、MTV-2821CB摄像机）；1/4英寸的CD传感占总产量的60%。也就是说，1/2英寸较大靶面尺寸CCD传感器仍有很大增长。

16. CCD传感器向高素数、多制式发展 各种CCD传感器的像面尺寸在减少，但其像素数在增加，已由早期的512（H）×596(V)向795（H）×596（V）发展,甚至出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水平方向和垂直方向的分辨能力，已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。

17. 降低CCD传感器的工作电压、减少功耗     在初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、+17V和+5V等，目前通用的为+12V。为配合PC摄像机和网络图像传输的应用，逐步以+12V和+5V两种工作电压为主。

18. 提高CCD摄像机的制造效率 为了降低CCD摄像机的制造成本，实现高速自动化生产，制造厂家追求紧密性结构，致力于CCD摄像机的小型化，即由Dip On Board（DOB）过锡板工艺改进为Chip On Board（COB）板上连接IC芯片的贴片方式。到目前为止，已实现多层板的Multi Chip Module（MCM）多芯片集成模组化制造技术。

19. CCD摄像机的数字化     在制造CCD摄像机时，从以往的Analog模拟系统逐步实现DSP数位化处理，可以借助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄像机，特别是对彩色CCD摄像机的各种参数的量化调整，可以确保CCD摄像机性能指标的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数量化修改。

20. ＣＣＤ传感器有以下优点： • 1.　高解析度（High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万像素； • 2.　低杂讯（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使ＣＣＤ的应用较不受天候拘束；

21. 3.　动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦测及分办强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。 • 4.　良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本；高光子转换效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；

22. 5.　大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的ＣＣＤD晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的ＣＣＤ已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件；光谱响应广（Broad Spectral Response）：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；

23. 6.　低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出 7.　体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上；

24. 8.　低秏电力，不受强电磁场影响； 9.　电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊； 10.　可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。

25. CCD传感器的应用

26. ★高速线阵CCD IL-P1-4096 主要特点 高速线阵CCD IL-P1-4096是加拿DALSA公司生产的IL-P1系列图像传感器中的一种。该器件的像素尺寸是10μm×μm、像素线阵长度为41mm、相邻像素间距也是10μm。线阵列的像素共有4096个，分两路输出。

27. IL-P1-4096的主要性能参数如下： •  ·双相输出，每相输出数据频率为25MHz； • ·线扫描速率为87kHz； • ·可使用低压时序信号，时序信号电压小于5V； • ·像素尺寸为10μm×10μm； • ·每行4096个像素点； • ·动态响应范围大于3200：1； • ·灵敏度高，响应可达到12V（uJ/cm2）; •   ·采用15V电压供电； • ·每行孤立像素为14个； • ·每行屏蔽像素为32个。

28. IL-P1-4096原理及组成 ◇原理 根据传感器光敏单元（像素）上的感光变化，将对象图像的感光变化转化为电荷包。电荷包中电子的个数是由感光强度和CCD器件的光积分时间决定的。电荷包被收集到独立的存储井中，然后用像素复位时钟来控制CCD器件的积分和曝光时间。

29. ◇组成  IL-PI系列传感器内部由三大主要功能块组成：光电二极管、 CCD读出移位寄存器和输出放大器。其中光电二极管用来生成信号电荷包，输出放大器用来将电荷转化为电压脉冲。 需要注意的是，IL -P1-4096传感器是两路输出，奇像素和偶像素分别从不同的输出通道输出，是一种双排的线列阵CCD，光敏单元在中间，奇、偶单元的信号电荷分别传到上下两列移位寄存器后分两路串行输出。这种CCD的优点是具有较高的封装密度，转移次数减少一半，因而可提高转移效率，改善图像传感器的信号质量。

30. IL-PI4096具体应用 • IL-P1-4096的精度高、感光响应快，在工业控制和测量领域（如流水线产品检测、分类，文字与图像的识别，机械产品尺寸非接触测量等），该器件具有很强的实用性。 • IL-PI4096的工作频率要求很高、相位关系复杂，使用高速CPLD作为CCD的基本时序发生器。推荐设计时可使用Lattic公司的 ispMACH4000C/B/V系列芯片，该芯片的工作时钟可以达到400MHz，完全可以满足此CCD的工作时序要求。

32. 如图所示是IL-P1-4096的具体应用电路。从CPLD发送过来的基本时时钟信号可通过简单电路进行相位校正并提供驱动电流，然后再送入CCD芯片。在Osn的输出端。电路可通过几个三极管组成的恒流源来提供CCD所需要的8mA驱动电流。如图所示是IL-P1-4096的具体应用电路。从CPLD发送过来的基本时时钟信号可通过简单电路进行相位校正并提供驱动电流，然后再送入CCD芯片。在Osn的输出端。电路可通过几个三极管组成的恒流源来提供CCD所需要的8mA驱动电流。 CPLD和IL-P1-4096要尽可能靠近，直流电源的纹波最好不要超过10mV。选用比较低的频率来控制IL-P1-4096的工作，然后渐升高工作频率。

33. ★LK-G系列CCD激光位移传感器 • 产品特性 全新开发的Li-CCD （直线性CCD）高精度Ernostar 物镜以及其它独一无二的先进技术。KEYENCE 进一步改进了成熟的LK系列的CCD传感器工艺并开发了包括Li-CCD 和高精度Ernostar 物镜在内的全新技术。 如图所示

35. Li-CCD减少了像素边缘错误，精确度是传统型号的两倍之多 由于CCD有数字输出每个像素的特点，因此在像素边缘产生的渐进输出所造成的错误会影响精确度的进一步提高。KEYENCE 开发了一种Li-CCD 作为对策，这种CCD能够以一个像素输出反射光的位置，在精确性方面极为出色，是传统型号的两倍。此外，传感器还使用了专门的设计，速度和灵敏度分别是传统型号的25倍和10倍* Li-CCD= 直线性CCD

37. 测量原理 • 高精度测量的Li-CCD 的原理 使用了三角形测量法。反射光在Li-CCD上的位置随着目标物位置的改变而改变，通过检测该变化就可以测量物体的位移量。 如图所示

38. 超精度 - LK-G10/G15 系列 超精度传感器，解析度高达0.01µm 如图所示

39. 高精度 - LK-G30/G35 系列 可准确测量透明物体，塑料和金属制品。 如图所示

40. 高稳定性 - LK-G80/G85系列 （多种用途 ） 新技术在需要长距离测量的情况下为高精度的应用提供了更好的稳定性 如图所示

41. 长距离 - LK-G150/G155 系列 集高精度、长距离和最快的采样速度于一身测量范围∶150 ±40 mm 如图所示

42. 高速、长距离 - LK-G400/G405 系列 集高精度、长距离和最快的采样速度于一身测量范围∶400 ±100 mm 如图所示

43. 超长距离 - LK-G500/G505 系列 高精度、高速、超大范围。传统型号之1.5倍大范围量测：最远达1000mm 如图所示

44. 50 kHz的超高采样速度 • [所有类型: LKG10/15/30/35/80/85/150/155/400/405/500/505] 比传统型号快25倍的高速采样是Li-CCD的一大特色。由专用波形处理器（数字信号处理器）对发自Li-CCD的信号进行高速数字处理，能够满足高速测量和高精度测量的要求。

45. Li-CCD可以对高速移动，高速转动或高速振动的物体进行可靠的测量。 如图所示

46. ★μPD3575D CCD图像传感器 • μPD3575D概述 μPD3575D是NEC公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器。该传感器可用于传真、图像扫描和OCR。它内部包含一列1024像元的光敏二极管和两列525位CCD电荷转移寄存器。该器件可工作在5V驱动（脉冲）和12V电源条件下。

47. μPD3575D的主要特性如下 ： *像敏单元数目：1024像元； *像敏单元大小：14μm×14μm×14μm(相邻元中心距为14μm)； *光敏区域：采用高灵敏度和低暗电流PN结作为光敏单元； *时钟：二相（5V）； *内部电路：采样保持电路，输出放大电路； *封装形式：20脚DIP封装。

48. μPD3575D的内部结构原理 μPD3575D 中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列，有效单元为1024位，它们的作用是接收照射到CCD硅片的光，并将之转化成电荷信号，光敏阵列的两侧为转移栅和模拟寄存器。在传输门时钟φTG的作用下，像元的光电信号分别转移到两侧的CCD转移栅。然后CCD的MOS电容中的电荷信号在φIO的作用下串行从输出端口输出。上述驱动脉冲由专门的驱动电路产生。

49. ★小型CCD产品 监控好帮手---SONY球形网络摄像机 •  SNC-RZ50P 使用Sony先进的Exwave HAD CCD 技术 最低照度： 彩色2.2Lx (50IRE，F1.6，AGC ON)； 黑白0.3Lx (50IRE，F1.6，AGC ON)。

50.  SNC-RZ30P   1/6 英寸Super HAD CCD 自动变焦，25倍光学 (2.4～60毫米 F1.6～2.7)，300倍数字变焦 。高速，静音的PTZ 控制功能 Pan角度: -170°～+170° 最低照度： 彩色3.0Lx (F1.6，50IRE)； 黑白0.18Lx (F1.6，50IRE)。