8第八章CCD应用举例概述
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第八章习题答案1.什么是光电效应,依其表现形式如何分类,并予以解释。
解:光电效应首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后通过光电转换元件变换成电信号,光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类:a)在光线作用下,能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应;b)受光照的物体导电率1R发生变化,或产生光生电动势的效应叫内光电效应。
2.分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。
解:外光电效应,如光电管、光电倍增管等。
内光电效应,如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。
3.简述CCD 的工作原理。
解:CCD 的工作原理如下:首先构成CCD 的基本单元是MOS 电容器,如果MOS 电容器中的半导体是P 型硅,当在金属电极上施加一个正电压时,在其电极下形成所谓耗尽层,由于电子在那里势能较低,形成了电子的势阱,成为蓄积电荷的场所。
CCD 的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS 电容器,这些电容器用同一半导体衬底制成,衬底上面覆盖一层氧化层,并在其上制作许多金属电极,各电极按三相(也有二相和四相)配线方式连接。
CCD 的基本功能是存储与转移信息电荷,为了实现信号电荷的转换:必须使MOS 电容阵列的排列足够紧密,以致相邻MOS 电容的势阱相互沟通,即相互耦合;控制相邻MOC 电容栅极电压高低来调节势阱深浅,使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处;在CCD 中电荷的转移必须按照确定的方向。
4.说明光纤传输的原理。
解:光在空间是直线传播的。
在光纤中,光的传输限制在光纤中,并随光纤能传送到很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射。
当光纤的直径比光的波长大很多时,可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。
设有一段圆柱形光纤,它的两个端面均为光滑的平面。
当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi 角时,根据斯涅耳(Snell )光的折射定律,在光纤内折射成θj ,然后以θk 角入射至纤芯与包层的界面。
若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角θk 应大于临界角φc (处于临界状态时,θr =90º),即:21arcsin k c n n θϕ≥=且在光纤内部以同样的角度反复逐次反射,直至传播到另一端面。
第八章光电传感器及其应用§8-1传感器及其特性一.传感器的组成:图8-1传感器组成方块图二.传感器的分类P113表7-1三.传感器的一般特性(一).静态特性:线性度、灵敏度、迟滞、重复性1)线性度:传感器的输入——输出是线性关系。
1.优点如下:①.简化理论分析及设计计算;②.方便仪器定标和数据处理;③.使仪表度盘均匀刻度,工艺性好,精度高。
④.避免了非线性补偿。
2.只含有奇次非线性的传感器线性特性好(线性范围大)。
实际传感器一般为非线性,可表示为多项式(不考虑迟滞、蠕变):y=a0+a1x+ a2x2+……+ a n x n不考虑零位输出a0①当仅有偶次非线性项(图b)y= a1x+a2x2+ a4x4+……没对称性,零位附近线性范围窄,很少采用。
②当仅有奇次非线性项(图c)y=a1x+a3x3+ a5x5+……y(-x)=-〔a1x+a3x3+ a5x5+……〕=- y(x)关于原点对称,零位附近线性范围宽,较多使用。
图8-2 传感器的静态特性例如:差动传感器就有较宽的线性范围。
差动传感器一边的输出为:y 1=a 0+a 1x+ a 2x 2+……+ a n x n (例: sin θ) 另一边的反向输出为:y 2=a 0-a 1x+ a 2x 2+……+(-1)na n x n (例: -sin θ) 差动输出为:y= y 1-y 2=2(a 1x +a 3x 3+ a 5x 5+…… ) (例: 2sin θ) 仅含有奇次非线性项,有较宽的线性范围。
3.线性度(误差)e 1=±Y max FS100℅Δmax : 最大非线性绝对误差; y FS :输出满量程。
2) 灵敏度 Sn =dxdy对线性传感器: Sn =dx dy=y/x=a 1 即斜率 差动传感器:Sn = dxdy=d(y 1-y 2)/ dx=2 a 1 比一般传感器的灵敏度高一倍。
3)e 2=±Y max FS∆100℅输出最大误差与满量程之比。
ccd应用场景CCD(Charge Coupled Device)是一种常用于图像传感器的技术,具有高灵敏度、高分辨率和低噪声的特点。
它在许多领域中都有广泛的应用场景。
本文将从医疗、农业、工业和安防四个方面,介绍CCD的应用场景。
一、医疗领域CCD技术在医疗领域中有着重要的应用。
例如,在医学影像诊断中,CCD传感器可以捕捉X射线或超声波等影像信息,通过数字化处理后,医生可以清晰地观察患者的内部结构,准确地判断疾病的情况。
此外,CCD还可以应用于内窥镜、显微镜等医疗设备中,帮助医生进行病灶检测和手术操作。
二、农业领域CCD技术在农业领域也有着广泛的应用。
例如,农业无人机配备了CCD传感器,可以通过拍摄农田的高清图像,帮助农民判断作物生长情况、测量土壤水分含量、检测病虫害等。
这些信息可以帮助农民制定科学的农业生产计划,提高农作物的产量和质量,减少资源的浪费。
三、工业领域在工业领域,CCD技术被广泛应用于质量检测、自动化生产等方面。
例如,CCD传感器可以用于检测产品的表面缺陷、尺寸偏差等质量问题,提高产品的合格率和生产效率。
此外,CCD还可以用于机器人视觉系统中,实现对工件的精确定位、抓取和组装等自动化操作。
四、安防领域CCD技术在安防领域中也有着重要的应用。
例如,CCD摄像头可以用于监控系统,实时监测公共场所、商业建筑、居民小区等区域的安全情况。
通过CCD摄像头拍摄的图像和视频可以提供给安防人员进行监控和查证。
此外,CCD还可以用于人脸识别、车牌识别等安防技术中,提高安全性和便利性。
总结起来,CCD技术在医疗、农业、工业和安防等领域中都有着重要的应用场景。
随着技术的不断进步,CCD传感器的性能将进一步提升,应用范围也将更加广泛。
相信在不久的将来,CCD技术将在更多的领域中发挥重要作用,为人们的生活带来更多的便利和进步。
第八章 前照灯检测前照灯是汽车在夜间或在能见度较低的条件下,为驾驶员提供行车道路照明的重要设备,而且也是驾驶员发出警告,进行联络的灯光信号装置。
所以前照灯必须有足够的发光强度和正确的照射方向。
由于在行车过程中,汽车受到震动,可能引起前照灯部件的安装位置发生变动,从而改变光束的正确照射方向,同时,灯泡在使用过程中会逐步老化,反射镜也会受到污染而使其聚光灯性能变差,导致前照灯的亮度不足。
这些变化,都会使驾驶员对前方道路情况辨认不清,或在对面来车交会时造成对方驾驶员眩目等,从而导致事故的发生。
因此,前照灯的发光强度和光束的照射方向被列为机动车运行安全的检验项目。
8.1 前照灯检测仪的结构与工作原理8.1.1 投影式前照灯检测仪结构与工作原理仪器主体由车架和受光箱两部分构成。
受光箱用以接受被检前照灯的光束并进行检测。
受光箱安装在车架上,可沿立柱由电动机驱动(或摇动手轮)上下移动,并可在地面上沿轨道左右移动,外形结构见图8-1。
由被检前照灯发出的光束经聚光镜会聚后,由反射镜反射到屏幕上。
屏幕呈半透明状态,在屏幕上可看到光束的光分布图形。
该图形近似于在10米屏幕上观察的光分部特性。
屏幕上对称分布五个光检测器,如图8-2所示。
№1及№2用以检测垂直方向的光分布,其输出电流经转换成电压后,连接到垂直方向的指示表上。
通过旋转上下刻度盘,使反光镜移动,从而使№1及№2输出信号相等,上下指示表指示为零。
此时上下刻度盘指示出光轴偏移量的数值。
№3及№4用以检测左右方向的光分布情况,其原理同上。
由左右刻度盘指示出光轴偏移量。
№5用以检测发光强度,其输出放大后由发光强度指示表指示发光强度数值。
图8-1 投影式前照灯检测仪整体结构电源开关左右表瞄准器发光强度表 上下表 显示 上下刻度盘 聚光透镜钢卷尺转动箱 底座加油孔水平调节偏心轴前齿条立柱 左右刻度盘 后立柱 光接收箱 对准旋钮 手轮拉手图8-2 光接受箱内部结构图和硅光电池板8.1.2 自动跟踪光轴式前照灯结构与工作原理(单测远光)仪器外形如图8-3所示。
1. CCD的原理及应用1.1 CCD是什么CCD(Charge-Coupled Device)是一种设备,用于将光信号转化为电信号并进行图像捕捉。
它由大量光敏元件组成的阵列构成,每个元件可以存储并转移电荷,这些电荷代表从光信号中获得的信息。
1.2 CCD的原理CCD的原理是基于光电效应和电荷耦合效应。
当光照射到CCD上时,光子会击中光敏元件,将能量转化为电荷。
这些电荷被存储在元件的电容中,并依次传递到相邻元件中。
通过逐行读出和放大这些电荷,最终形成一个完整的图像。
2. CCD的应用CCD技术在许多领域中得到广泛应用,下面将介绍几个重要的应用领域。
2.1 数字摄影CCD作为数字相机的核心部件,被广泛用于数字摄影领域。
CCD的高灵敏度和高分辨率使得它能够捕捉到细节丰富的图像。
此外,CCD还具有较低的信噪比,能够在较暗的环境中获取清晰的图像。
2.2 星空观测天文学家利用CCD技术进行星空观测。
CCD相较于传统的感光片,具有更高的灵敏度和动态范围,能够捕捉到更加微弱的星光信号,并提供更准确的测量和分析数据。
CCD在天文学研究中发挥着重要的作用,帮助我们深入了解宇宙的奥秘。
2.3 显微镜图像拍摄在生命科学和材料科学中,CCD技术被广泛应用于显微镜图像的拍摄和分析。
CCD的高灵敏度和分辨率使得显微镜能够观察到微观领域内的微小细节。
结合图像处理技术,CCD在显微镜研究中发挥着重要的作用。
2.4 光学测量CCD技术广泛应用于光学测量领域,例如粒子测量、位移测量和形貌测量等。
CCD的高灵敏度和高速度使其能够捕捉到瞬时变化的光学信号,并提供准确的测量结果。
2.5 光谱分析CCD技术在光谱分析中也发挥着重要作用。
光谱仪通过将光分散成不同波长的光,并使用CCD进行捕捉和分析,可以获取不同物质的光谱信息。
这项技术在化学、物理和生物学等领域中被广泛应用。
3. 总结CCD作为一种将光信号转化为电信号的设备,具有高灵敏度和高分辨率的特点,被广泛应用于数字摄影、星空观测、显微镜图像拍摄、光学测量和光谱分析等领域。
§8—4 CCD图象传感器的应用一.CCD的七个应用领域1.小型化黑白、彩色TV摄像机这是面阵CCD应用最广泛的领域。
日本松下CDT型超小型CCD彩色摄像机,直径17mm,长48 mm,使用超小型镜头,重量54g,深受欢迎。
典型TV用IS尺寸:7×9 mm2,480×380像元。
2.传真通讯系统用1024~2048像元的线阵CCD作传真机,可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。
3.光学字符识别IS代替人眼,把字符变成电信号,进行数字化,然后用计算机识别。
重庆大学1985年的CD-1型OCR机,识别率达99.9﹪。
4.广播TV用SSIS(Solid State Imaging Sensor固态图象传感器)代替光导摄像管。
1986年柯达公司已推出140万素的IS,尺寸7×9 mm2,比电视图象信号多4倍以上。
5.工业检测与自动控制这是IS应用量很大的一个领域,统称机器视觉应用。
①.在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测,产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度检测。
②.在自动控制方面,主要作计算机获取被控信息的手段。
③.还可作机器人视觉传感器。
6.可用于各种标本分析(如血细胞分析仪),眼球运动检测,X射线摄像,胃镜、肠镜摄像等。
7.天文观测①.天文摄像观测②.从卫星遥感地面如:美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm宽侦察胶卷,作地球卫星传感器。
③.航空遥感、卫星侦察如:1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大型线阵CCD 扫描,地面分辨率提高到10m。
还在军事上应用:微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图象通信等。
二.尺寸测量1.微小尺寸的检测(10~500μm)(一)原理用衍射的方法对细丝、狭缝、微小位移、微小孔等进行测量。
原理: 当满足远场条件L ﹥﹥d 2/λ时,根据夫琅和费衍射公式可得到d=K λ/Sin θ (1)式中:d ——细丝直径;K ——暗纹周期K=±1,2,3…;λ——激光波长;L ——被测细丝到IS 光敏面的距离;θ——被测细丝到第K 级暗纹的连线,与光线主轴的夹角;当θ很小时(即L 足够大时)Sin θ≈tg θ= X k /L 代入(1)式得 d=K X L K λ=K X L K /λ=SLλ …………..(2) S ——暗纹周期,S=X K /K 是相等的,则测细丝直径d 转化为用CCD 测S 误差分析:S SLL SSL d ∆+∆+∆=∆2λλλ由于激光波长误差λ∆很小﹙<10—5λ=,可忽略不计,则S S LL Sd ∆+∆=∆2λλ(或者用随机误差的形式合成)例:He-Ne 激光λ=632.8nm, L=1000mm ±0.5mm, d=500μm,则根椐(2)式: S= SLλ=32361010510108.632--⨯⨯⨯⨯ =1.265 (mm ) 当CCD 像元选用13±1μm ,则ΔS=m μ10)1(1002=±⨯ 测量误差 S SLL Sd ∆+∆=∆2λλ=)(S SLL S∆+∆λ=)265.1101010005.0265110863236--⨯⨯+⨯(。
CCD的应⽤12131CCD的应⽤⼀、概述CCD(Charged Coupled Device)于1969 年在贝尔试验室研制成功,后由⽇、美等国公司开始量产,期间从初期的10 多万像素已经发展⾄⽬前主流应⽤的500 万像素。
CCD 分为线型与⾯型两种,其中线型应⽤于影像扫瞄器及传真机上,⽽⾯型主要应⽤于数码相机(DC)、摄录影机、监视摄影机等影像产品上。
对于⾯型CCD,根据其⼯作⽅式⼜分为:帧转移型,⾏间转移型和⾏帧转移型三种,根据其扫描⽅式⼜分为全帧和隔⾏两种,全帧型多⽤于专业级, 隔⾏多⽤于民⽤级。
⼆、CCD的特点1、⾼解析度: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 ⼨到现在的1/9 ⼨,像素数⽬已从初期的10多万增加到千万像素,以后还有继续增加的趋势。
2、低噪声⾼敏感度:CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声,因此有⽐较⾼的信噪⽐(SNR),同时具有⾼敏感度0 . 0003~0 . 0005LUX 甚⾄0LUX 低光度的⼊射光也能检测到,其信号不会被噪声掩盖,所以CCD 的应⽤基本不受⽓候的限制;3、动态范围⼴:通过数字处理的CCD 信号, 其动态范围可达到400%, 专业级可达到600%, 可同时适⽤于强光和弱光,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:⼊射光源强度和输出信号⼤⼩成良好的正⽐关系,能很好地反映被摄图像的细节层次,降低信号补偿处理成本;5、光⼦转换效率⾼: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,即使在⿊夜远处的景物仍然还可以拍摄到;6、⼤⾯积感光:利⽤半导体技术已可制造⼤⾯积的CCD 晶⽚,⽬前与传统胶⽚尺⼨相当的35mm 的CCD 已经开始应⽤在数码相机中,成为取代专业光学相机的关键元件;7、光谱响应⼴:从0.4~1.1µm, 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;当然根据不同的应⽤场合和要求,需⽤滤⾊⽚或复合滤⾊⽚;8、低影像失真:使⽤CCD 感测器,其图处理不会有失真的情形,使原物体表⾯信息忠实地反应出来;9、体积⼩、重量轻:CCD 具备体积⼩且重量轻的特性, 应⽤⼴泛.10、低耗能,不受强电磁场影响;11、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,影像将变得较模糊;12、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。