最新CCD是一种光电转换式图像传感器它利用光电转换原理把图11汇总.docx

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最新CCD是一种光电转换式图像传感器它利用光电转换原理把图11汇总

CCD是一种光电转换式图像传感器它利用光电转换原理把图11

前言

CCD是一种光电转换式图像传感器。

它利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号,这样便实现了非电量的电测量。

同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、寿命长等诸多优点,因此受到人们的高度重视,在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中,发挥着重要的作用[1]。

对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理,是线阵CCD数据采集发展的新方向。

寻找满足要求的处理器已成当务之急。

DSP（数字信号处理器）是一种具有高速性、实时性和丰富的芯片内部资源的处理器,它的出现为人们解决了这个难题。

为了节约成本、减少体积,本文用CPLD控制图像的读入,以TMS320VC5402DSP作为处理器,并结合CA3318CEA/D转换器介绍一种CCD图像采集处理系统的设计方法。

根据课题研究,将此系统应用于手写体数字的采集和识别中。

如果配以适当的光学系统,便可以实现光-机-电-算一体化设计。

现代图像采集技术发展迅速，各种采集方法已经相当成熟。

本文是一种结合课题设计的数据采集系统，主要用于手写数字的采集。

邮政编码、统计报表、财务报表、银行票据、人口普查表等等，这类信息的核心技术是手写数字。

随着国家信息化进程的加速，手写数字识别的应用需求将越来越广泛，它已成为目前国际上研究的一个热点，具有广阔的应用前景。

研制手写数字识别系统的关键是掌握手写数字图像的采集和识别技术，以往的采集工作都是借助扫描仪、高性能的摄像机和小型机来完成，造价高、体积大而且不易携带。

针对这一问题，本文提出了一种基于CCD的图象采集系统。

1系统概述

本系统主要由线阵CCD、ADC、DSP、可编程逻辑器件CPLD等几部分组成。

待输入图像经光源照明后,经物镜成像在CCD光敏元件阵列上,CCD通过驱动电路完成一次Y方向的自扫描。

在控制电路的作用下,CCD输出信号进行滤波放大处理,并经A/D转换电路进行数字化处理。

一行图像数据通过数据通道进入帧存储器。

以上操作与CCD自扫描同步进行,不受CPU的控制。

随后,控制电路启动步进电机,带动进纸机构移动到下一采样位置,CCD又进行Y方向的自扫描,并重复上述过程,输入第二行的数据,直至整幅画面输入完毕。

DSP读取存储器存储的处理数据,并根据用户的要求将处理结果上传给主机供用户使用。

系统结构图如图1-1所示。

机械传动光学系统CCD放大滤波A/DSRAM

`

步进电机

可编程逻辑

驱动电机CPLDDSPPC机

图1-1　系统结构图

2基本硬件组成

2.1线阵CCD传感器

2.1.1CCD传感器概述：

自二十世纪80年代开始，摄影技术出现了革命性的突破，即电荷耦合器件CCD（ChargedCoupledDevice）的广泛应用。

目前，CCD技术已发展成一项具有广泛应用前景的新技术，成为现代光电子与测试技术中最受关注的研究热点之一。

例如，在国防军事领域，CCD成像技术在微光、夜视、遥感应用中发挥着巨大的作用，适应了现代高技术战争的需求，成为军事微电子学的研究热门；在科研领域，由于其灵敏度高、噪声低，成为研究宏观（如天体）和微观（如生物细胞）现象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而轻的特点，在图像通信领域也获得了广泛的用途；在工程测量领域，CCD在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数测量、光强分布测量等方面都有很好的应用。

电荷耦合器件（简称CCD）的突出特点是以电荷作为信号，而不同大多数器件是以电流或者电压为信号。

CCD的基本功能是电荷的储存和电荷的转移。

因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储传输和检测。

CCD本身具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其有的特性密切相关。

因此各种CCD器件广泛应用于军事、工业、商业医学、科研等领域。

电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件。

简称为ICCD。

它的功能是把二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出。

它有两大类型：

线阵和面阵。

二者都需要用光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。

像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中。

然后，再转移到CCD的位移寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。

线型CCD可直接接收一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。

为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法来实现。

2.1.2CCD的主要性能:

（1）像元分辨率与摄像分辨率：

对于摄像系统而言，CCD图像扫描方式是被采用金属网栅采样的显微图，像元分辨率和摄像系统分辨率是CCD图像传感器是两个很重要的参数指标。

所谓像元分辨率就是指CCD图像传感器中每一个像元所覆盖的被测物体宽度，由于CCD依据几何学光学原理，而没考虑摄影物的对比度，显微光学系统的衍射以及像位移的影响。

但是，对于摄像系统而言，最具意义的参数是摄像分辨率，k为科尔系数，它与摄影物的对比度、光学系统等有关，通常情况下，当被摄影物的对比度比较高时，科尔系数取值在1.4左右，而当对被摄影物的对比度较低时，科尔系数取值为2。

针对此任务要求，被检测目标的网栅线纹宽度在2μm-10μm之间，即要求此摄像系统的实际分辨率应小于2μm，相应的像元分辨率应小于1μm，对于实际摄像系统，其分辨率的实际选择主要取决于被测线纹宽度的测量精度，通过对被测物体的分析，虽然最细线纹达到2μm，但是线与线之间的距离达到200μm，它通过光学系统后可以视为线扩散函数，所以，如果仅用于判断线纹是否有断裂，并不需要很高的摄像分辨率便可以完成此任务，但要比较精确的测量线的宽度，则需要比较高的摄像分辨率。

所以在实际设计中，要根据实际应用的场合和综合其它参数后，对系统的实际分辨能力进行优化选择。

（2）像素几何尺寸和放大倍数：

对于CCD图像传感器，首先需要确定的参数便是CCD像素几何尺寸，因为它将直接影响显微系统的放大倍数。

一旦像元分辨率确定，为了减小系统的放大倍数，需要选择像素几何尺寸小的CCD图像传感器。

但是，CCD的几何尺寸的选取毕竟存在一定的限度，一旦系统分辨率需要提高，那么最有效的途径就是增加光学系统的放大倍数。

2.1.3CCD数据采样

CCD可用于位置、尺寸和图像的检测，根据CCD传感器视频信号应用的差异，CCD视频信号的处理有两种方法：

一是对CCD信号进行二值化处理后，再进行数据采样：

二是对CCD视频信号采样、量化编码后再采样到计算机系统。

由于线阵CCD既具有高灵敏度的光电转换功能，又具有光电信号的存储和快速读出功能，所以通过一组时序脉冲的驱动控制（驱动器），可以实现对目标光源的实时光电转换与信号读出。

当入射在CCD像元上成像时，入射光子被CCD像元吸收并产生相应数量的光生电荷。

在光积分期间，光生电荷被积累并储存在彼此隔离的相应像元的势阱中所积累的信号电荷数与照射在该像元面上的平均照度和光积分时间的乘积成正比。

在电荷转移期间，光生电荷依次转移至输出区，通过复位脉冲的控制，在输出极形成视频信号，每次积分的输出波形代表目标光图像在CCD采样方向的瞬态强度的空间分布，输出视频信号经过低噪声宽带放大器放大处理后，每个光斑的输出波形。

然后，对CCD的视频信号进行二值化处理，二值化的前沿和后沿分别对应CCD像元的信号，计算出这两个像元位置的平均值，既为光线的中心位置，这即是一个检验数据。

在CCD连续工作下，所有的检测数据经过处理后，通过通讯电路将结果传送给计算机。

2.1.4CCD信号处理及二值化处理:

在进行CCD在线检测时，干扰光线较难克服，而且光源使用一段时间，光强也会变弱，这样会引起CCD输出信号幅度变化，从而导致测量误差，因此对上边的电路作了一定改进，即让阀值电压随CCD视频信号的幅值变化，改进后的浮动阀值电路。

当光源强度变化引起CCD视频信号变化时，可以通过电路CCD视频信号的起伏反馈到阀值上，使阀值电压随之改变，从而保证在光较弱时，二值化电路仍能输出二值化信号。

二值化处理后输出的信号为二值化信号。

二值化信号为一个方波形,该波形的前沿和后沿分别对应CCD像元的序号，计算出两个像元位置的平均值，即为线光源在CCD上成像的中心位置，从而获得一个检测数据。

在CCD连续工作下，所有的检测数据经处理后，再经过并行通讯电路将结果传给计算机进行下一步处理。

电荷耦合器件（CCD）具有自扫描、光电灵敏度高和几何尺寸精确等一系列优点，因此在光电非接触测量中得到了广泛应用。

它能将光强分布的空间信息转换为电信号序列信息，当它对空间光强分布一次采样后、以电信号形式串行输出[1]。

为了保证信号质量，在每个像素上光信号积分时间有严格限制，一般要求串行传送速率为几千到几兆赫兹。

而在工业测量系统中，广泛使用的单片机指令速度相对较慢。

对于80C196KB单片机，若外部时钟为12MHz，内部二分频后为6MHz，多数指令执行周期都超过了1us[2].

2.1.5CCD电荷的产生、转移原理:

CCD是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成，每一个光敏像元就是一个MOS电容器。

它的突出特点是以电荷用为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。

2.1.6CCD光电转换

当在MOS电容器的栅极上加上一个小的正电压时，半导体中的自由空穴被排斥到远离栅极的一边，在SiO2的表面下形成一层电子的耗尽区，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做势阱[1]。

正栅压进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。

当光入射到耗尽区时，因内光电效应将产生电子-空穴对（硅吸能量释放价电子，形成电子-空穴对），在耗尽区电场作用下，空穴流入衬底部，电子则积存于半导体表面，这样势阱中就积存了一定量的电荷，且势阱中积存的电荷量入射光强度成正比（CCD饱和的情况除外）。

2.1.7CCD像素输出

CCD信号电荷的传输是通过控制各个像素上的电极电压，电荷就会从电压低的电极转移到电压高的电极下，使信号电荷随着电极电压的周期性变化在半导体表面或者体内做定向运动。

线阵CCD电荷包只单方向传递，每一个扫描周期，所有像素都沿着电极相继传递，进行像素的水平移动，直到所有像素全部输出。

2.1.8线阵CCD图象传感器的选择：

本系统采用TCD1280AP线阵CCD作为图像传感器。

TCD1280AP具有2160个像敏单元数，像元尺寸及间距为14μm×14μm；TCD1280AP具有灵敏度高、暗电流低等特点，工作电压为单一的5V，是二相输出的线阵CCD器件。

主要用于通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合。

TCD1280AP传感器共需要四个5V的驱动时钟（SH、RS、φ1、φ2）.

TCD1280APC的主要技术指标：

像敏单元数2160像元总长52.5mm

像元中心距0.007mm

驱动频率20MHz

行周期1ms

响应度15V/1x.s

动态范围1660

TCD1280AP主要用于通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合。

TCD1208AP传感器共需要四个5V的驱动时钟（SH、RS、Ф1、Ф2）。

时序图如图2-1所示。

图2-1　TCD1208AP传感器时序图

由时序图可以看出，芯片正常工作需要四路驱动信号，即：

转移信号SH，其周期为光信号的积分时间tINT（INTEGRATIONTIME）；复位信号RS，时钟频率标准值为1MHz；两相移位时钟信号Φ1、Φ2，时钟频率为0.5MHz。

TCD1208AP有2160个像素单元，正常工作时要有52个虚设单元输出（DUMMYOUTPUTS）信号。

因为该器件是两列并行传输，所以在一个周期内至少要有1106（2212/