第五章CCD 圖像傳感器

1、第五章第五章 CCD 圖像傳感器圖像傳感器 圖像傳感器圖像傳感器( (Imaging Sensor ,縮寫為縮寫為IS，又稱成像，又稱成像器件、攝像器件器件、攝像器件) )作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能礎(chǔ)器件，因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展的擴展( (光譜拓寬、靈敏度范圍擴大光譜拓寬、靈敏度范圍擴大) )，能給出直觀、，能給出直觀、真實、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所真實、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所以在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。以在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 圖像傳感器的功能是

2、把光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號，圖像傳感器的功能是把光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息( (可見光和非可見光可見光和非可見光) )、轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電、轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號信號 視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。把空間圖像轉(zhuǎn)換為按時序變化的電信號輻射圖像。把空間圖像轉(zhuǎn)換為按時序變化的電信號的過程稱為掃描。的過程稱為掃描。 50年代前，攝像的任務(wù)主要都是用各種電子束年代前，攝像的任務(wù)主要都是用各種電子束攝像管攝像管( (如光導攝像管、飛點掃描管等如光導攝像管、飛點掃描管等

3、) )來完成。來完成。60年代后期，隨著半導體集成電路技術(shù)，特別是年代后期，隨著半導體集成電路技術(shù)，特別是MOS集成電路工藝的成熟，各種固體圖像傳感器得到迅集成電路工藝的成熟，各種固體圖像傳感器得到迅速發(fā)展，到速發(fā)展，到70年代末期。已有一系列產(chǎn)品在軍事、年代末期。已有一系列產(chǎn)品在軍事、民用各方面得到廣泛應(yīng)用。民用各方面得到廣泛應(yīng)用。 固體圖象傳感器固體圖象傳感器(Solid State Imaging Sensor 縮縮寫為寫為SSIS)主要有三大類型、一種是電荷耦合器件主要有三大類型、一種是電荷耦合器件(Charge Coupled Device簡稱簡稱CCD)，第二種是，第二種是MOS圖

4、象傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣圖象傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣(Self Scanned Photodiode Array，簡稱，簡稱SSPA)，第三種是，第三種是電荷注入器件電荷注入器件(Charge Injection Device，簡稱，簡稱CID)。目前，前兩種用得比較多。目前，前兩種用得比較多。同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點：同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點： (1)全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好可靠性高，壽命長。很低；耐沖擊性好可靠性高，壽命長。 (2)基本上不保留殘

5、象，無象元燒傷、扭曲，不受電磁基本上不保留殘象，無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。干擾。 (3)紅外敏感性。硅的紅外敏感性。硅的SSPA光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)：0.201.0；CCD可作成紅外敏感型；可作成紅外敏感型；CID主要用于光譜響應(yīng)大于主要用于光譜響應(yīng)大于35微米的微米的紅外敏感器件。紅外敏感器件。 (4)象元尺寸的幾何位置精度高象元尺寸的幾何位置精度高(優(yōu)于優(yōu)于1微米微米)，因而可用，因而可用于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。 (5)視頻信號與微機接口容易視頻信號與微機接口容易 主要應(yīng)用領(lǐng)域：小型化黑白主要應(yīng)用領(lǐng)域：小型化黑白/彩色彩色TV攝象機；傳真攝象機；傳真通訊系統(tǒng)

6、；光學字符識別（通訊系統(tǒng)；光學字符識別（OCR: Optical Character Recognition）；工業(yè)檢測與自動控制；醫(yī)療儀器；）；工業(yè)檢測與自動控制；醫(yī)療儀器；多光譜機載和星載遙感；天文應(yīng)用；多光譜機載和星載遙感；天文應(yīng)用；軍事應(yīng)用。軍事應(yīng)用。 CCD攝像器件由光敏（光積攝像器件由光敏（光積分）單元和電荷轉(zhuǎn)移單元（讀出移分）單元和電荷轉(zhuǎn)移單元（讀出移位寄存器）組成，每個光敏單元對位寄存器）組成，每個光敏單元對應(yīng)一個象素如下圖所示。各單元的應(yīng)一個象素如下圖所示。各單元的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由金屬、絕基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由金屬、絕緣層、半導體構(gòu)成。緣層、半導體構(gòu)成。VG加正向偏加正

7、向偏壓后在半導體內(nèi)形成壓后在半導體內(nèi)形成“電子勢阱電子勢阱（耗盡區(qū)）（耗盡區(qū)）”，勢阱的深度由，勢阱的深度由VG的大小來控制。電子勢阱可以用來的大小來控制。電子勢阱可以用來存放電子，這些電子的注入方式既存放電子，這些電子的注入方式既可用可用“光注入光注入”（光敏單元采用光（光敏單元采用光注入），也可以用注入），也可以用“電注入電注入”（轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)移電荷時采用電注入）。移電荷時采用電注入）。 對于光敏單元，當受到光線照射時，在光子的作用下，對于光敏單元，當受到光線照射時，在光子的作用下，半導體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，空穴被排斥，電子被電子勢阱半導體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，空穴被排斥，電子被電子勢阱俘獲。這種光生

8、電子作為反映光強的載體俘獲。這種光生電子作為反映光強的載體電荷包被收電荷包被收集，成為光電荷注入，這就是集，成為光電荷注入，這就是CCD攝像器件的光電變換過攝像器件的光電變換過程。勢阱內(nèi)電荷包的大小與光照強度和光照時間成正比。程。勢阱內(nèi)電荷包的大小與光照強度和光照時間成正比。 光敏單元電子勢阱的電荷包可以通過轉(zhuǎn)移柵的作用并光敏單元電子勢阱的電荷包可以通過轉(zhuǎn)移柵的作用并行地轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器（電荷轉(zhuǎn)移單元）中，讀出移行地轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器（電荷轉(zhuǎn)移單元）中，讀出移位寄存器在讀出脈沖（三相或四相脈沖）的作用下把各個位寄存器在讀出脈沖（三相或四相脈沖）的作用下把各個來自光敏單元的電荷包讀出，從而

9、獲得各個像素的亮度值。來自光敏單元的電荷包讀出，從而獲得各個像素的亮度值。 光線光線 讀出移位寄存器的讀出移位寄存器的工作原理工作原理是依靠是依靠MOS電容電容與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓高與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓高低可以使勢阱內(nèi)電荷包逐個勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當?shù)涂梢允箘葳鍍?nèi)電荷包逐個勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當MOS電容柵壓電容柵壓VG增高時，在半導體內(nèi)部被排斥增高時，在半導體內(nèi)部被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導體內(nèi)電的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導體內(nèi)電勢越低，電子則向耗盡層移動、存儲象對電子的勢越低，電子則向耗盡層移動、存儲象對電子的陷阱一樣，稱為電子勢阱。陷

10、阱一樣，稱為電子勢阱。電子勢阱可以用來存電子勢阱可以用來存放電子。其特點是：當放電子。其特點是：當VG增加，勢阱變深；當增加，勢阱變深；當VG減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。 n在柵極加正偏壓之前，在柵極加正偏壓之前，P型半導體中的空穴（多子）的分布是均勻的。型半導體中的空穴（多子）的分布是均勻的。n加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。n當當UG Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導時，半導體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導體內(nèi)的電

11、子體內(nèi)的電子(少子少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。n反型層電荷的存在表明了反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。電荷存儲電荷存儲5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）n第一個電極保持10V，第二個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。n若此后第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下的勢阱中。這樣，深勢阱

12、及電荷包向右移動了一個位置。nCCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對絕大多數(shù)CCD，1m的間隙長度是足夠了。n主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。n輸入部分：將信號電荷引入到的第一個轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。n電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入 電注入：用于濾波、延遲線和存儲器等。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。 光注入：用于攝像機。用光敏元件代替輸入二極管。當光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。的工作原理的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二

13、極管輸出柵SiO2n在柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲信號電荷，其深度同步于信號電壓變化，使阱內(nèi)信號電荷沿半導體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送出視頻信號。n為了實現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位CCD中含的MOS個數(shù)即為CCD的像數(shù)。n以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠大于空穴的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。的工作原理的工作原理 為確保為確保CDD的

14、轉(zhuǎn)移功能，對時鐘脈沖的要求的轉(zhuǎn)移功能，對時鐘脈沖的要求是：是：1 1）三相時鐘脈沖有一定的交疊，在交）三相時鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)內(nèi)，電荷包的源勢阱與接收勢阱同時共存，疊區(qū)內(nèi)，電荷包的源勢阱與接收勢阱同時共存，以保證在這兩個勢阱間進行充分轉(zhuǎn)移；以保證在這兩個勢阱間進行充分轉(zhuǎn)移；2 2）時鐘脈沖的低電平必須保證溝道表）時鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)；面處于耗盡狀態(tài)；3 3）時鐘脈沖幅度選取得當。）時鐘脈沖幅度選取得當。 CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)作為成像器件，作為成像器件，CCD的主要特性參數(shù)仍然是的主要特性參數(shù)仍然是靈敏度、分辨力、光譜響應(yīng)以及信噪比等。靈敏度、分辨力、光譜

15、響應(yīng)以及信噪比等。但但CCD還起著電荷傳輸?shù)淖饔?，故還應(yīng)包還起著電荷傳輸?shù)淖饔茫蔬€應(yīng)包括轉(zhuǎn)移效率、噪聲、功耗等參數(shù)。括轉(zhuǎn)移效率、噪聲、功耗等參數(shù)。 主要參數(shù)：主要參數(shù)：1 轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移效率 和損耗率和損耗率2 時鐘頻率的上、下限時鐘頻率的上、下限3 光譜特性和光電特性光譜特性和光電特性CCDCCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)n像素數(shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等n像素數(shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。4444萬（萬（768768* *576576）、）、100100萬（萬（10241024* *10241024）、）、200200萬（萬（16001600* *12001200）、）、600600萬萬

16、（28322832* *21282128）n信噪比：典型值為典型值為46分貝分貝n感光范圍感光范圍 可見光、紅外可見光、紅外n CCD按電荷存儲的位置分有兩種基本類型1、電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?表面溝道CCD(簡稱SCCD)。2、電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向傳輸， 體溝道或埋溝道器件(簡稱BCCD)。的類型的類型n線陣：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從128位至5000位以至7000位不等，由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場上有數(shù)十種型號的器件可供選用。n面陣CCD：器件象元排列為一平面，它包含若干行和列的結(jié)合。n目前達到實用階段

17、的象元數(shù)由25萬至數(shù)百萬個不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。5.2 CCD圖像測量的二值化圖像測量的二值化CCD圖像測量的基本原理是：光學系統(tǒng)把被圖像測量的基本原理是：光學系統(tǒng)把被測對象的光信息投射在測對象的光信息投射在CCD的光敏面元上，的光敏面元上，形成了光學圖像。由形成了光學圖像。由CCD器件把光敏元上的器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強成比例的電荷量，積累光信息轉(zhuǎn)換成與光強成比例的電荷量，積累起來的光電荷在一定頻率的時鐘脈沖的驅(qū)動起來的光電荷在一定頻率的時鐘脈沖的驅(qū)動下，在下，在CCD 輸出端得到被測對象的視頻信號。輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻

18、信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時序則對應(yīng)著的時序則對應(yīng)著CCD光敏元位置的順序。通光敏元位置的順序。通過后續(xù)處理線路對過后續(xù)處理線路對CCD輸出的視頻信號進行輸出的視頻信號進行二值化或量化處理后，將被測對象從背景中二值化或量化處理后，將被測對象從背景中分離出來，為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準備。分離出來，為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準備。圖7-5-12 二值化處理二值化處理電路二值化處理電路5.2 CCD圖像測量的基本原理圖像測量的基本原理二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖二值化處

19、理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對待。光學系統(tǒng)把被測對象成像在像對待。光學系統(tǒng)把被測對象成像在CCD光敏光敏元上，由于被測對象與背景在光強上的強烈變元上，由于被測對象與背景在光強上的強烈變化，反映在化，反映在CCD視頻信號中所對應(yīng)的圖像尺寸視頻信號中所對應(yīng)的圖像尺寸邊界處會有急劇的電平變化，通過二值化處理邊界處會有急劇的電平變化，通過二值化處理把把CCD視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。實現(xiàn)離成二值電平。實現(xiàn)CCD視頻信號二值化的處視頻信號二值化的處理由硬件電路完成，常采用電壓比較器，即將理由硬件電路完成，常采用電壓比較器，即將視頻信號與某一電

20、平閾值比較，視頻信號電平視頻信號與某一電平閾值比較，視頻信號電平高于閾值的部分輸出高電平，而低于閾值部分高于閾值的部分輸出高電平，而低于閾值部分輸出低電平，形成具有一定寬度的二值化電平輸出低電平，形成具有一定寬度的二值化電平的脈沖信號，該脈沖寬度對應(yīng)被測對象的圖像的脈沖信號，該脈沖寬度對應(yīng)被測對象的圖像尺寸大小，如上圖所示。尺寸大小，如上圖所示。線陣線陣CCD：一行，掃描；：一行，掃描；體積小，價格低；體積小，價格低；面面陣陣CCD: 整幅圖像；直觀；價格高，體積大；整幅圖像；直觀；價格高，體積大；面陣面陣CCDCCD芯片芯片CCDCCD在檢測方面的應(yīng)用在檢測方面的應(yīng)用n幾何量測量 測寬、測長

21、、測徑。n光譜測量 光譜儀輸出信號測量。5.3 CCD玻管尺寸測控儀玻管尺寸測控儀CCD尺寸測量技術(shù)是一種非常有效的非接觸檢測方法，廣泛應(yīng)用于在線檢測工件的尺寸。CCD玻管尺寸測控儀就是測量的一個應(yīng)用實例，它對玻管外圓直徑及壁厚尺寸進行實時監(jiān)測，并根據(jù)測量結(jié)果對生產(chǎn)過程進行控制。光源照射被測玻管，經(jīng)光學系統(tǒng)成像在CCD光敏陣列面上。由于各處透射率的不同，玻管的像在上下邊緣處形成兩條暗帶，中間部分的透射光相對較強而形成亮帶。兩條暗帶最外的邊界距離是玻管外徑成像的大小，中間亮帶是玻管內(nèi)徑像的大小，暗帶則是玻管壁厚像的大小，如圖所示，CCD視頻信號上出現(xiàn)了兩個谷 5.3 CCD玻管尺寸測控儀玻管尺寸

22、測控儀圖7-5-14 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5.3 CCD玻管尺寸測控儀玻管尺寸測控儀圖7-5-13 CCD視頻信號CCD視頻信號視頻信號5.3 CCD玻管尺寸測控儀玻管尺寸測控儀把視頻信號中的外徑尺寸部分和壁厚部分進行二值化處理，填入標準時鐘脈沖，該時鐘脈沖對應(yīng)CCD空間分辨率，由計算機采集這兩個尺寸對應(yīng)的脈沖數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到被測玻管的尺寸。本系統(tǒng)被測玻管的直徑尺寸為20mm，光學系統(tǒng)的放大率為0.8倍，則玻管像的大小為16mm，被測玻管的測量精度要求達到0.05mm，他在像面上對應(yīng)精度為0.04mm。根據(jù)CCD測量靈敏度的要求， 0.04mm要大于2個CCD像素的空間尺

23、寸。選擇TCD102C型號CCD可滿足上述測量范圍和精度的要求。該器件的技術(shù)指標為： 2048感光像素元，14微米相鄰像素中心距， 工作時鐘1MHz，兩相驅(qū)動， 同步脈沖寬度128微秒，同步周期：7.5ms。5.4 線陣線陣CCD在線測量棒狀物尺寸在線測量棒狀物尺寸棒狀物長度的非接觸式精密在線測量，是采用平行光源對被測物垂直照射，形成被測物的輪廓圖像并把它投影在CCD圖像傳感器上，輪廓圖像轉(zhuǎn)變成CCD圖像傳感器的輸出信號，該信號經(jīng)二值化處理后，再由單片機進行數(shù)據(jù)采集及信號處理，最后由計算機的屏幕顯示出來。整個測量系統(tǒng)如圖所示 圖中，平行光源、棒圖中，平行光源、棒狀物參比端及狀物參比端及CCD圖

24、像傳感器必須置于圖像傳感器必須置于同一基準面上。棒狀同一基準面上。棒狀物被測端、平行光中物被測端、平行光中心軸線和心軸線和CCD的中的中心點要大致位于同一心點要大致位于同一直線上。直線上。平行光源的作用是產(chǎn)平行光源的作用是產(chǎn)生一束高平行度的光生一束高平行度的光線，以使棒狀物經(jīng)平線，以使棒狀物經(jīng)平行光垂直照射后在行光垂直照射后在CCD上形成上形成1：1的的高精度像。高精度像。5.4 線陣線陣CCD在線測量棒狀物尺寸在線測量棒狀物尺寸7-5-16 棒狀物成像系統(tǒng)及CCD輸出波形5.4 線陣線陣CCD在線測量棒狀物尺寸在線測量棒狀物尺寸平行光源是本系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵設(shè)備，它采用高亮度白平行光源是本系統(tǒng)

25、中的一個關(guān)鍵設(shè)備，它采用高亮度白熾燈作為光源，經(jīng)組合透鏡后形成平行光束，因而具有熾燈作為光源，經(jīng)組合透鏡后形成平行光束，因而具有結(jié)構(gòu)簡便、平行度高及亮度均勻等特點。結(jié)構(gòu)簡便、平行度高及亮度均勻等特點。本系統(tǒng)中使用的本系統(tǒng)中使用的CCD型號為型號為TCD141C，像點尺寸為，像點尺寸為7m，共共5000個像點，測量長度范圍為個像點，測量長度范圍為35mm。由平行光源、。由平行光源、CCD圖像傳感器及棒狀物構(gòu)成的成像系統(tǒng)以及圖像傳感器及棒狀物構(gòu)成的成像系統(tǒng)以及CCD視頻視頻輸出信號的波形如上圖所示。輸出信號的波形如上圖所示。圖中，棒狀物擋住了部分平行光，未被擋住的平行光照圖中，棒狀物擋住了部分平行

26、光，未被擋住的平行光照射在射在CCD上成像。上成像。OS1和和OS2分別為分別為CCD奇數(shù)位和偶數(shù)位奇數(shù)位和偶數(shù)位像點的脈沖輸出波形。奇、偶位像點脈沖有一個相位差。像點的脈沖輸出波形。奇、偶位像點脈沖有一個相位差。利用這個相位差可以很方便地對成像信號進行二值化處利用這個相位差可以很方便地對成像信號進行二值化處理。理。SHSH為周期掃描信號脈沖，利用為周期掃描信號脈沖，利用SH可作為計數(shù)的定可作為計數(shù)的定位脈沖。位脈沖。5.4 線陣線陣CCD在線測量棒狀物尺寸在線測量棒狀物尺寸信號處理首先對CCD成像信號進行二值化處理。在光源照射下，CCD的成像電平在對應(yīng)于棒狀物被測端應(yīng)有明顯的電平變化，通過二

27、值化處理可以把CCD視頻信號中對應(yīng)的圖像尺寸邊界分離出來，CCD視頻信號二值化處理的硬件電路如圖所示。5.4 線陣線陣CCD在線測量棒狀物尺寸在線測量棒狀物尺寸CCD圖像傳感器的奇數(shù)位和偶數(shù)位輸出的信號OS1和OS2經(jīng)放大后和同一個閾值電平進行電壓比較，根據(jù)這兩路視頻信號脈沖相位錯疊的特點，通過邏輯電路合成一個方波 0 0, ,該方波的該方波的前沿代表棒狀物被測端的位置前沿代表棒狀物被測端的位置(即圖中的即圖中的h1)。實。實踐證明，我們只要選擇合適的閾值，可以滿足踐證明，我們只要選擇合適的閾值，可以滿足測量精度的要求。測量精度的要求。單片機的功能主要有兩個，一是完成棒狀物參單片機的功能主要有

28、兩個，一是完成棒狀物參與成像的長度的定時計數(shù)功能，二是完成棒狀與成像的長度的定時計數(shù)功能，二是完成棒狀物整個長度物整個長度h=h1+h0的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并送給計算機的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并送給計算機進行處理，進行處理， 其中其中h0代表棒狀物未參與成像的固代表棒狀物未參與成像的固定長度。定長度。第六章、第六章、 熱釋電紅外傳感器及其應(yīng)用熱釋電紅外傳感器及其應(yīng)用 熱釋電紅外傳感器是一種被動式調(diào)制型溫度熱釋電紅外傳感器是一種被動式調(diào)制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是通過目標敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是通過目標與背景的溫差來探測目標的。其響應(yīng)速度雖不如與背景的溫差來探測目標的。其響應(yīng)速度雖不如光子型

29、，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，容易使用。這工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，容易使用。這種探測器，靈種探測器，靈敏度高，探測面廣，是一種可靠性敏度高，探測面廣，是一種可靠性很強的探測器。因此廣泛應(yīng)用于各類入侵報警器，很強的探測器。因此廣泛應(yīng)用于各類入侵報警器，自動開關(guān)、非接觸測溫、火焰報警器等，目前生自動開關(guān)、非接觸測溫、火焰報警器等，目前生產(chǎn)有單元、雙元、四元、產(chǎn)有單元、雙元、四元、180等傳感器和帶有等傳感器和帶有PCB控制電路的傳感器。常用的熱釋電探測器如：控制電路的傳感器。常用的熱釋電探測器如：硫酸三甘鈦（硫

30、酸三甘鈦（TGS）探測器、鈮酸鍶鋇（）探測器、鈮酸鍶鋇（SBN）探測器、鉭酸鋰（探測器、鉭酸鋰（LiTaO3）探測器、鋯鈦酸鉛）探測器、鋯鈦酸鉛（PZT）探測器等。）探測器等。熱釋電效應(yīng)：當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會熱釋電效應(yīng)：當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能

31、顯示出來。當溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的電矩不能顯示出來。當溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化值就正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化值就會發(fā)生變化，在晶體表面就會產(chǎn)生電荷，對外顯示會發(fā)生變化，在晶體表面就會產(chǎn)生電荷，對外顯示電性。電性。 若溫度對時間的變化率為若溫度對時間的變化率為Dt/dt，極化強度，極化強度PS 對對時間的變化率為時間的變化率為dPs/dt，它相當于外電路上流動的，它相當于外電路上流動的電流。射電極面積為電流。射電極面積為A，則信號電壓的大小為：，則信號電壓的大小為：U=ARL dPs/dt=ARL dPs/dT dT/dt，A為敏感元面積，

32、為敏感元面積，RL為負載電阻；為負載電阻；dPs/dT為常數(shù)。為常數(shù)。1. 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)n 常見的熱釋電紅外傳感常見的熱釋電紅外傳感器的外形如圖所示。器的外形如圖所示。n熱釋電紅外傳感器由敏感熱釋電紅外傳感器由敏感元、場效應(yīng)管、高阻電阻元、場效應(yīng)管、高阻電阻等組成，并向殼內(nèi)充入氮等組成，并向殼內(nèi)充入氮氣封裝起來，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如氣封裝起來，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。下圖所示。常見熱釋電紅外傳感器的外形熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)n 敏感元敏感元n敏感元用紅外熱釋電材料敏感元用紅外熱釋電材料 鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛(PZT)制成制成，經(jīng)極化處理后，其剩余極化強度隨溫度，經(jīng)極化處理后，其剩

33、余極化強度隨溫度T升高升高而下降。制作敏感元件時，將熱釋電材料制成很而下降。制作敏感元件時，將熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個串小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個串聯(lián)的、有極性的小電容。把兩個極性相反的熱釋聯(lián)的、有極性的小電容。把兩個極性相反的熱釋電敏感元做在同一晶片上，由于溫度的變化影響電敏感元做在同一晶片上，由于溫度的變化影響整個晶片產(chǎn)生溫度變化時，兩個敏感元產(chǎn)生的熱整個晶片產(chǎn)生溫度變化時，兩個敏感元產(chǎn)生的熱釋電信號互相抵消，起到補償作用。釋電信號互相抵消，起到補償作用。n使用熱釋電傳感器時，通常要在使用菲涅爾透鏡使用熱釋電傳感器時，通常要在使用菲涅爾透鏡將外

34、來紅外輻射通過透鏡會聚光于一個傳感元上將外來紅外輻射通過透鏡會聚光于一個傳感元上，它產(chǎn)生的信號不會被抵消。，它產(chǎn)生的信號不會被抵消。n 熱釋電傳感器的特點是它只在由于外界的輻射而熱釋電傳感器的特點是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時，才會給出一個相應(yīng)的引起它本身的溫度變化時，才會給出一個相應(yīng)的電信號，當溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就再沒有信電信號，當溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就再沒有信號輸出，即熱釋電信號與它本身的溫度的變化率號輸出，即熱釋電信號與它本身的溫度的變化率成正比。因此，熱釋電傳感器只對運動的人體或成正比。因此，熱釋電傳感器只對運動的人體或物體敏感。物體敏感。 傳感器內(nèi)部接線圖 場效

35、應(yīng)管及高阻值電阻場效應(yīng)管及高阻值電阻Rg 敏感元的阻值可達敏感元的阻值可達1013，因此需用場效應(yīng)管進行阻，因此需用場效應(yīng)管進行阻抗變換才能應(yīng)用。場效應(yīng)管常用抗變換才能應(yīng)用。場效應(yīng)管常用2SK303V3，2SK94X3等等型號，用來構(gòu)成源極跟隨器。高阻值電阻型號，用來構(gòu)成源極跟隨器。高阻值電阻Rg的作用是釋放的作用是釋放柵極電荷，使場效應(yīng)管安全正常工作，源極輸出接法時，柵極電荷，使場效應(yīng)管安全正常工作，源極輸出接法時，源極電壓約源極電壓約0.4一一1.0V。如傳感器內(nèi)部接線圖如下圖所示。如傳感器內(nèi)部接線圖如下圖所示。 紅外濾光片透射曲線 濾光片濾光片(FT) PZT制成的敏感元件是一種光譜材料

36、，能探測各種制成的敏感元件是一種光譜材料，能探測各種 波長輻射。波長輻射。為了使傳感器對人體最敏感，而對太陽、電燈光等有抗干擾性，為了使傳感器對人體最敏感，而對太陽、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光片是在傳感器采用了濾光片作窗口。濾光片是在Si基片上鍍多層膜制成基片上鍍多層膜制成的。每個物體都能發(fā)出紅外輻射，其輻射峰值波長滿足維恩位移的。每個物體都能發(fā)出紅外輻射，其輻射峰值波長滿足維恩位移定律。定律。對于人體體溫對于人體體溫(約約36)，輻射的最長波長為，輻射的最長波長為 m=2898309=9.4m，也就是說，人體輻射在，也就是說，人體輻射在9.4m處最強，紅外濾光片處最強

37、，紅外濾光片選取了選取了6.514m波段，能有效地選取人體的紅外輻射。紅外濾波段，能有效地選取人體的紅外輻射。紅外濾光片透射曲線如上圖所示。由圖可見，小于光片透射曲線如上圖所示。由圖可見，小于6.0m的光銳減至的光銳減至0，6.515.0m的輻射，其透射率達的輻射，其透射率達60以上，因此，以上，因此，F(xiàn)T可以有效可以有效地防止、抑制電燈、太陽光的干擾，但對電燈發(fā)熱引起的紅外輻地防止、抑制電燈、太陽光的干擾，但對電燈發(fā)熱引起的紅外輻射光有時也能產(chǎn)生誤動作。熱釋電傳感器常用于防盜報警、自動射光有時也能產(chǎn)生誤動作。熱釋電傳感器常用于防盜報警、自動門、自動燈等。門、自動燈等。 2. 熱釋電紅外傳感器

38、的應(yīng)用熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用 人體探測防盜報警器人體探測防盜報警器 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡(FRESNEL LENS) 熱釋電傳感器的前面要加菲涅爾透鏡才能增加探測距離。熱釋電傳感器的前面要加菲涅爾透鏡才能增加探測距離。菲涅爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設(shè)計的透鏡組，它上面菲涅爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設(shè)計的透鏡組，它上面的每個單元透鏡一般都只有一個不大的視場，而相鄰的兩個的每個單元透鏡一般都只有一個不大的視場，而相鄰的兩個單元透鏡的視場既不連續(xù)，也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。它單元透鏡的視場既不連續(xù)，也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。它的外型如下圖所示。的外型如下圖所示。菲涅爾透鏡的外形 CE-024型菲

39、涅爾透鏡的視場的側(cè)視圖和俯視圖如下圖型菲涅爾透鏡的視場的側(cè)視圖和俯視圖如下圖所示。當人體在這一監(jiān)視范圍內(nèi)運動時，順次地進入某一單所示。當人體在這一監(jiān)視范圍內(nèi)運動時，順次地進入某一單元透鏡的視場，又走出這一視場，熱釋電傳感器對運動的人元透鏡的視場，又走出這一視場，熱釋電傳感器對運動的人體一會兒看到，一會兒看不到，再過一會又看到，之后又看體一會兒看到，一會兒看不到，再過一會又看到，之后又看不到，于是人體的紅外輻射不斷地改變熱釋電不到，于是人體的紅外輻射不斷地改變熱釋電菲涅爾透鏡的視場的溫度，使它輸出一個又的溫度，使它輸出一個又一個相應(yīng)的信號。從圖示一個相應(yīng)的信號。從圖示的視場圖可以看出，菲涅的視場

40、圖可以看出，菲涅爾透鏡是有防盜盲區(qū)的，爾透鏡是有防盜盲區(qū)的，安裝在安裝在2m高處的菲涅爾透高處的菲涅爾透鏡存在著小于鏡存在著小于1m的盲區(qū)，的盲區(qū)，在圖示的黑影之下。在圖示的黑影之下。 不加菲涅爾透鏡，探不加菲涅爾透鏡，探測距離僅為測距離僅為2m左右，加上左右，加上菲涅爾透鏡后，其探測距菲涅爾透鏡后，其探測距離可達離可達10米，若采用雙重米，若采用雙重反射型菲涅爾透鏡，其探反射型菲涅爾透鏡，其探測距離可達測距離可達20m以上。以上。 探測電路探測電路 人體進入探測范圍內(nèi)，傳感器的輸出信號頻率大人體進入探測范圍內(nèi)，傳感器的輸出信號頻率大約為約為0.110Hz，這頻率范圍是由菲涅爾送人體運動，這頻

41、率范圍是由菲涅爾送人體運動速度和熱釋電傳感器本身的特性決定的。其探測電速度和熱釋電傳感器本身的特性決定的。其探測電路由檢測、放大、比較電路、延時電路與驅(qū)動電路路由檢測、放大、比較電路、延時電路與驅(qū)動電路組成。組成。 檢測放大電路：檢測放大電路由熱釋電傳感器檢測放大電路：檢測放大電路由熱釋電傳感器SD02及濾波放大器及濾波放大器A1、A2等組成，具有等組成，具有4000多多倍的放大能力。倍的放大能力。 比較器電路：比較器電路：A3組成電壓比較組成電壓比較器，無報警信號時輸出低電平；當有人入侵時，器，無報警信號時輸出低電平；當有人入侵時，比較器翻轉(zhuǎn)比較器翻轉(zhuǎn)LED亮，當人體運動時則輸出一串脈亮，當

42、人體運動時則輸出一串脈沖。沖。 延時驅(qū)動電路：延時驅(qū)動電路： 555，555和和VT2組成組成延時、驅(qū)動電路。當延時、驅(qū)動電路。當A3輸出一個正脈沖，輸出一個正脈沖，C12充充電，無脈沖電，無脈沖C12將通過將通過R17放電；若人在報警區(qū)移放電；若人在報警區(qū)移動，動，C12不斷允電，當達到一定電壓時，不斷允電，當達到一定電壓時，VT1觸發(fā)觸發(fā)555，使，使VT 2導通，吸合繼電器，使其控制報警導通，吸合繼電器，使其控制報警器。器。 555組成延時電路。避免開機瞬間的誤報組成延時電路。避免開機瞬間的誤報警。警。 集成紅外探測報警器集成紅外探測報警器 被動紅外探測控制集成電路被動紅外探測控制集成電路TWH9511 TWH系列系列PIR(熱釋電傳感器熱釋電傳感器)控控制電路采用大規(guī)模制電路采用大規(guī)模CMOS數(shù)字電路及數(shù)字電路及微型元件固化封裝，具有性能指標高，微型元件固化封裝，具有性能指標高，一致性好，外圍電路簡單，安裝方便，一致性好，外圍電路簡單，安裝方便，無需調(diào)試等特點。無需調(diào)試等特點。該電路按信該電路按信表表10.1.1號輸出號輸出方式方式可分為三種：可分為三種：交流供電繼交流供電繼電器輸出型電器輸出型TWH9511；交流供電可交流供電可控硅輸出型控硅輸出型TWH