CCD的应用现状及其发展前景

CCD的应用现状及其发展前景摘要：CCD全称为chargecoupledDevice，译名为电荷耦合器件，是七十年代初发展起来的一种新型的半导体器件。CCD器件是一种固体化器件(1)体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、寿命长：(2)图像畸变小，尺寸重现性好：(3)具有较高的空间分辨力：(4)光敏元间距的几何尺寸准确度高，可获得较高的定位准确度和测量准确度。经过几十年的不断更新与发展，到目前为止，其应用范围己非常广泛，涉及到航空航天、广播摄像、工业视觉、尺寸测量等众多领域。关键词：CCD技术应用发展现状发展前景引言：CCD使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。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起来。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。因此，尽管CCD数目并不是决定图像品质的唯一重点，我们仍然可以把它当成相机等级的重要判准之一。它可以分为线型和面型两种传感器。线阵CCD获取的信息少，不能处理复杂的图形。但其处理信息的速度快，后续处理电路简单，易实现实时控制，且价格低廉，因此线阵CCD主要用于产品外部尺寸的非接触检测、控制和分类、产品表面质量评定、自动化及机器人视觉中的精确定位等。面阵CCD获取的信息量大，能处理复杂的图形，主要用于图象的记录、储存等方面，但其缺点是处理信息的速度慢，且价格高。本文主要对CCD的应用的原理、现状进行分析及对其发展前景进行展望。CCD的应用现状和应用领域：1、CCD摄像机应用领域的发展趋①DigitalSignalCamera(DSC)：数码照相机是近两三年投放市场的一种新型照相机。由CCD传感器采集的图像信号经过数字处理后．可被记录在磁卡上．由计算机读取磁卡上的图像数据再现出图像，并可借助各种图像处理软件进行图像编辑和图像处理。②Medica1：医用显微内窥镜利用超小型的CCD摄像机或光纤图像传输内窥镜系统．可以实现人体显微手术．减小手术刀VI的尺寸，减小伤口感染的可能性，减轻病人的痛苦。同时还可进行实时远程会诊和现场教学。③VehicleCamera：在各种车辆中加装CCD摄像机可以使驾驶人员借助车内CCD摄像机、车上的后视镜系统和驾驶员前面的显示器．不仅可随时看到车内的情况．而且可在倒车时观察后面的道路情况，在向前行进过程中也能随时看到后方车辆所保持的距离．提高了行车安全。2、光学信息处理利用CCD可以进行文字识别0CR，标识识别0MR，图像识别OPR，光谱能量检测。①光谱能量分析CCD与可以提供二维光谱且分辨率很高的中阶梯光栅结合，能够同时采集到分布在空间的多个信号，大大地提高了全光谱的检测效率。将CCD与计算机相结合，把同时获得的各波长点的数据串行输入给计算机进行处理，几乎实时地得到全部光谱的光强分布图。CCD多通道光谱仪已经成为光谱仪的一个重要的发展方向。基本光谱检测原理如图7所示。S为光源，L1、L2、是三透镜系统，使入射光能量集中在狭缝D上，P是光栅，它将狭缝出射的光按波长的大小由第零级开始，从短波向长波散开，并由透镜Ld成像在后焦面上。这样，当含有许多波长的复合光入射在光栅上时，则在其后焦面上将得到该复合光所有组分的、按波长次序排列的主最大的细亮线，即形成了衍射光谱。衍射级次k越大，色散效果越明显，但能量也随之下降。还有一种基于CCD的光谱仪利用棱镜代替光栅产生色散，其光谱数据采集光路图略。②图像识别、标识识别面阵CCD在这方面有广泛的应用。根据不同要求，利用CCD图像传感器可以设计出不同的识别系统。以下介绍两个目前成熟应用的实例实例一：对汽车牌照进行自动识别，一般都采用计算机视觉技术与模式识别相结合，通过CCD摄像机捕获汽车牌照图像，其视频信号经过A／D后进入计算机，再利用图像处理技术和模式分类技术完成对牌照的搜索、分割和识别。该技术可广泛应用于公安交通、存车场警卫监控、高速公路自动收费等(图1)。目前北京市采用该方法对主干道车辆进行车牌识别，通过数据处理找出交纳养路费的车辆。实例二：图文传真，用CCD作传真机。图文传送速度较快，如用东芝公司的线阵CCD—TCD160C，可以在不到一秒钟的内完成A4稿件的扫描(图2)。图1光谱数据采集系统图2汽车牌照自动识别技术功能模块图3、生产过程自动化CCD应用于自动工作机械，自动售货机，监视等装置。本节对CCD在焊接自动化领域的应用进行详述。①CCD用于焊接自动化焊缝跟踪在焊接自动化系统中，使焊枪同步跟踪焊缝是系统设计的中心问题，其难点是电弧位置的精确测控。CCD跟踪对象可以是辅助图象、电弧及熔池热场。普通CCD摄像头的分辨可以达到0．05mm，动态跟踪检测精度可达0．06mm，均比采用其他方法检测精度高出一个数量级。图10是埋弧焊自动跟踪系统的传感器结构图。传感器由光发射和接收两部分组成。系统中采用的线阵CCD器件被置于工件正上方，在垂直方向只接收散射光信号的光路结构。激光从激光二级管发出，经柱面透镜，在工件表面汇聚成宽度很窄的光带。适当选取柱面透镜的焦距．使该光带形成结构光。由于该光平面以一定角度入射到工件上，随着坡口处位置高低的变化，该光带在工件表面和坡口内部将形成一条空问曲线ABCDE。激光在工件上产生反射和散射，线阵CCD器件在垂直方向上只接收散射光。根据瑞利定律可知散射光的强度随观察方向变化。选择最佳入射角．使得在垂直方向上的散射光最为理想，故确定该值为传感器发射与接收光路间的夹角。工件表面上的散射光带作为光源，经过圆透镜成像。该像也为一空间曲线。当圆透镜的焦距足够大时，该光学系统的景深也相应较长。可认为像曲线为一平面曲线abcde。将线阵CCD放置在像平面上，使其感光部分与像曲线的直线部分ab和de重合。这样来自工件表面的光能落在CCD上并使其感光，而坡口内的光带所成的像bc和cd落在CCD的感光部分之外，不能使CCD对应的位置感光，由此可以提取焊缝坡口位置信息。焊缝坡口内的部分与工件表面高度差别越大的点，所成的像离CCD相应的感光部分越远。CCD所能接收到的光也就越少，甚至接收不到光。路中的滤光片用以增强系统抗杂光干扰的能力。图3传真机系统示意图图4传感器结构图采集到信号后对焊缝坡口信号进行计算机处理：图像处理，跟踪控制锋法，焊矩高度的自适应控制等等，最终达到埋弧焊的自动跟踪控制。踪控制。②、工业机器人视觉传感器机器人视觉涉及三个方面的问题，即视觉敏感器、照明、视觉信息处理的硬件和软件。其原理比较复杂。目前用于激光扫描三角测量的视觉敏感器主要有二维面型PSD、线型PSD和CCD。高性能的CCD器件同其他类型的传感器相比，CCD传感器具有很多优点：a)获取的信息量大，精度高(最高精度可以达到gn级)。可以获得精确的几何形状和空间位置信息；b)检测空间范围大，误差容限大(35谱响应范围可达到380～1100rim，检测误差为on级)：c)具有智能化特点，可以自动检测和选定所要检测位置的起点和终点：d)通用性好，适合于多种机器人视觉系统：e)实时性能好。4、军事CCD传感器在军事领域也发挥了很大作用．目前主要用于导航、自动跟踪、侦查等。航空遥感：把高密度线阵CCD扫描系统安装在飞机、卫星上，由飞机、卫星完成对地面的一维扫描，由CCD传感器在飞行的垂直方向上自扫描．即可实现高分辨率的高空摄影(图5)。图5航空CCD扫描系统CCD应用前景目前，随着大规模微细加工技术的发展，CCD像素高密度集成技术取得了突破性的进展。器件像素的中心距已做到0．004～0．007mm，线阵CCD可达5000个像素，这就为计量领域应用CCD打下了良好的基础。CCD作为一种易于与计算机连接的传感器，在位移检测、运动速度测量、热加工温度场模拟、激光加工研究、光谱分析、无损探伤等方面都有广泛的应用前景，尤其是数字CCD传感器的开发，CCD传感器与信号采集电路的大规模集成，新型快速图蒙处理软件的开发，使得CCD传感器在工业检测与自动控制应用中将发挥更重要的作用。CCD传感器在焊缝跟踪自动化系统中，已成功地应用于平面的焊缝跟踪，在未来的发展趋势中，运用CCD传感器在进行船体、储汽罐等复杂几何形状、三维几何形状的焊接跟踪实时控制中，更易于实现焊接实时控制，而且可以实现任意形状的焊缝实时跟踪，将起到更重要的作用。它在三维测量系统的开发和应用。CAD，CAM，多煤体应用和虚拟现实系统中都有广阔的应用前景。它将促使铝4造业向机器人自动检测与控制、智能化测量、柔性集成制造系统、无人加工车间方向发展更进一步。随着电脑网络系统的发展，CCD传感器作为电脑前端和图象输入系统，它将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面。在军事上，CCD图像传感器(尤其是非可见光图像传感器，如X射线成像器，电子束成像器。红外线成像器)的应用会越来越广。它主要应用于夜视(微光夜视、红外夜视)、实时或近实时战术侦察机载预警、导弹自动跟踪、高速飞行目标的轨迹测量等方面。并必将对现代军事工程技术产生巨大的影响。结束语：CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产CCD的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。国内对CCD等精密仪器的加工工艺还有待进一步发展和改善。随着我国经济的发展，我国在精密仪器的生产制造和引进外国新技术、新工艺方面还会有长足的发展。CCD的应用前景仍十分广阔。