第三节 CCD器件
? 线阵和面阵；单沟道和双沟道。
一、典型的 CCD结构
1.单沟道线阵 CCD结构
光敏元、转移栅和移位寄存器构成。
结构见下图 3-12所示
工作时序如下图所示
ΦD
φt
ΦD 控制收集光生电荷；
φt控制转移到移位寄存器；
φ1, φ2和 φ3控制移位输出。
由于 CCD存在不完全转移，所以最大分辨单元数并不于实际相元数相同。
一般以读出移位寄存器的转移损失率 50%
为极限。
此结构适合光敏元较少的 CCD.
2.双沟道线阵 CCD
? 有两列移位寄存器，分奇数和偶数。
? 下图为两相双沟道 CCD。
3.帧转移 CCD摄像器件
? FTCCD包含三部分,光敏区、暂存区和
转移区。
M个沟道；
N个光敏元 /沟道
类似于电视机的
行扫 原理
4.行间转移结构 CCD摄像器件
? 如图 3-15二维两相面阵,
比较,分辨率差 ;拖影效应小。
二、典型 CCD器件及其驱动
产品像元数 128~5000不等。
以 TCD142D为例。两相线阵 2048像元。
光敏区像元 =2048+62（哑元） =2110
? 哑元用于检测暗电流。
像元中心间距 14μm.
驱动电路,
ΦRS,2MHZ;占空比 1:3.
Φ1, 1MHZ;占空比 1:1
ΦSH,TSH>1061μs
三,CCD器件的选择
? 根据主要指标：
1.根据采样定理,若已知图像的最大空间频率
k(线数 /mm),则抽样频率 >2k.
例,k=40线 /mm;则抽样频率 >80线 /mm
即抽样尺寸 =1/80mm=12.5μm(分辨率 )
2.动态特性保证转换后的图像不失真,
若 CCD的动态响应截止频率为 f,则所测量的图
像光强随时间变化的频率不能大于 2f.
第四节 CCD在测量中的应用
? 是光、机、电和计算机结合的高新技术；
非接触测量；常用于在线检测尺寸、位移、
速度、定位和自动调焦等。
一、尺寸测量
成熟技术，测量线径、轴的直径等。
以荧光灯玻璃管的 直径 和 壁厚测量 为例 。
1.测量原理
原理图如下,
物镜放大倍数 β ;CCD像元尺寸为 t;
上壁厚 d1,脉冲数 n1;下壁厚 d2,脉冲数 n2;
外径 D,脉冲数 N;则有,
d1=n1t/β; d2=n2t/β;D=Nt/β
(3-18)
? 实际中,平均外径 12mm;壁厚 1.2mm;
测量精度外径 ± 0.1mm;壁厚 ± 0.05mm
若 β=0.8 ;则成像 9.6mm;外径和壁厚的测量精
度在像面上为 ± 0.08和 ± 0.04mm.
为此,CCD的光敏像元空间尺寸为
<0.04/2=0.02mm.
*像元数 >9.6/0.02=480(个 )
2.CCD驱动电路的设计
根据测量要求,选 TCD132D型号的 CCD
二相,1024像元,
结构如下,
驱动时序如下图
驱动电路如下
3.测量信号的处理
? 若 ΦM=1MHZ;则 ΦCCD=250KHZ;
T0=64μs;T2= 1024 μs.
要在 T3内提取出测量信息,则必须,
T3<T2;T1>T0.
二、位移的测量（ 自阅 ）
三,CCD信号的二值化
把图像和背景作为分离的二值图像对待 。
两种方法：
1）对视频信号二值化后再进行数据采集。
2）采集后在计算机内进行二值化处理。
前者硬件电路复杂，速度快；
后者硬件电路简单，速度慢。
要点：找真正代表边界的特征点，确定 阈值 。
作业,1.何谓 MOS结构的反型状态和耗尽状
态?CCD工作于哪个状态?何谓势阱?
2.以图 3-7说明三相 CCD电荷转移过程,
3.典型的 CCD有哪些结构?各有何特点?
4.若用图 3-20 的方法测量某一实心钢轴
的直径 (<30mm),画出视频图像 ;若要求测量精
度 ± 1mm,β=1; 分析应选择的 CCD指标,
? 线阵和面阵；单沟道和双沟道。
一、典型的 CCD结构
1.单沟道线阵 CCD结构
光敏元、转移栅和移位寄存器构成。
结构见下图 3-12所示
工作时序如下图所示
ΦD
φt
ΦD 控制收集光生电荷；
φt控制转移到移位寄存器；
φ1, φ2和 φ3控制移位输出。
由于 CCD存在不完全转移，所以最大分辨单元数并不于实际相元数相同。
一般以读出移位寄存器的转移损失率 50%
为极限。
此结构适合光敏元较少的 CCD.
2.双沟道线阵 CCD
? 有两列移位寄存器，分奇数和偶数。
? 下图为两相双沟道 CCD。
3.帧转移 CCD摄像器件
? FTCCD包含三部分,光敏区、暂存区和
转移区。
M个沟道；
N个光敏元 /沟道
类似于电视机的
行扫 原理
4.行间转移结构 CCD摄像器件
? 如图 3-15二维两相面阵,
比较,分辨率差 ;拖影效应小。
二、典型 CCD器件及其驱动
产品像元数 128~5000不等。
以 TCD142D为例。两相线阵 2048像元。
光敏区像元 =2048+62（哑元） =2110
? 哑元用于检测暗电流。
像元中心间距 14μm.
驱动电路,
ΦRS,2MHZ;占空比 1:3.
Φ1, 1MHZ;占空比 1:1
ΦSH,TSH>1061μs
三,CCD器件的选择
? 根据主要指标：
1.根据采样定理,若已知图像的最大空间频率
k(线数 /mm),则抽样频率 >2k.
例,k=40线 /mm;则抽样频率 >80线 /mm
即抽样尺寸 =1/80mm=12.5μm(分辨率 )
2.动态特性保证转换后的图像不失真,
若 CCD的动态响应截止频率为 f,则所测量的图
像光强随时间变化的频率不能大于 2f.
第四节 CCD在测量中的应用
? 是光、机、电和计算机结合的高新技术；
非接触测量；常用于在线检测尺寸、位移、
速度、定位和自动调焦等。
一、尺寸测量
成熟技术，测量线径、轴的直径等。
以荧光灯玻璃管的 直径 和 壁厚测量 为例 。
1.测量原理
原理图如下,
物镜放大倍数 β ;CCD像元尺寸为 t;
上壁厚 d1,脉冲数 n1;下壁厚 d2,脉冲数 n2;
外径 D,脉冲数 N;则有,
d1=n1t/β; d2=n2t/β;D=Nt/β
(3-18)
? 实际中,平均外径 12mm;壁厚 1.2mm;
测量精度外径 ± 0.1mm;壁厚 ± 0.05mm
若 β=0.8 ;则成像 9.6mm;外径和壁厚的测量精
度在像面上为 ± 0.08和 ± 0.04mm.
为此,CCD的光敏像元空间尺寸为
<0.04/2=0.02mm.
*像元数 >9.6/0.02=480(个 )
2.CCD驱动电路的设计
根据测量要求,选 TCD132D型号的 CCD
二相,1024像元,
结构如下,
驱动时序如下图
驱动电路如下
3.测量信号的处理
? 若 ΦM=1MHZ;则 ΦCCD=250KHZ;
T0=64μs;T2= 1024 μs.
要在 T3内提取出测量信息,则必须,
T3<T2;T1>T0.
二、位移的测量（ 自阅 ）
三,CCD信号的二值化
把图像和背景作为分离的二值图像对待 。
两种方法：
1）对视频信号二值化后再进行数据采集。
2）采集后在计算机内进行二值化处理。
前者硬件电路复杂，速度快；
后者硬件电路简单，速度慢。
要点：找真正代表边界的特征点，确定 阈值 。
作业,1.何谓 MOS结构的反型状态和耗尽状
态?CCD工作于哪个状态?何谓势阱?
2.以图 3-7说明三相 CCD电荷转移过程,
3.典型的 CCD有哪些结构?各有何特点?
4.若用图 3-20 的方法测量某一实心钢轴
的直径 (<30mm),画出视频图像 ;若要求测量精
度 ± 1mm,β=1; 分析应选择的 CCD指标,
