摘要：cdd图像传感器以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在工业测控中得到广泛应用。该文简要介绍了ccd图像传感器的检测原理和它在工业检测中的应用现状，分析了现有ccd检测技术在应用中存在的问题和局限，指出了ccd传感器在工业检测应用中的发展方向。
关键词：ccd；检测技术；图像传感器
the application and development of ccd measurement technology i n foreign industrial fields
liu zheng,peng xiaoqi,ding jian,tang ying
(college of physics science & technology under central south uni versity，hunan changsha 410083,china)
abstract：the ccd image sensors have been wide ly used in industrial process measurement and control systems owing to their wid e spectral response,wide dynamic range,high sensitivity and geometric precision ,low noise and convenience for digital processing and connecting computers.the p aper gives a brief introduction about the measuring principle of the ccd image s ensor and its application status in industrial measurements.some difficulties an d limitations existing in its application are analysed and the trend of its appl ication is pointed out.
key words：ccd;measurement technology;image sensor
0 引言
电荷耦合器件(charge couple device，ccd)是一种以电荷为信号载体的微型 图像传感器，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能，其输出信号通常是符合电 视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储、增强、识别等处理［1］。
自ccd于1970年在贝尔实验室诞生以来，ccd技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，ccd传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄［2］，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一［1，3］。
1 ccd传感器的检测原理
ccd是由光敏单元、输入结构和输出结构等组成的一体化的光电转换器件，其突出特点是以电荷作为信号载体，其基本工作原理见文献［4，5］。当入射光照射到cc d光敏单元上时，光敏单元中将产生光电荷q，q与光子流速率δn 0、光照时间tc、光敏单元面积a成正比，即：
q＝ηqδn0atc(1)
其中η为材料的量子效率；q为电子电荷量。ccd图像传感器的光电转换特性如图1 如示，其中横坐标为照度，lx.s；纵坐标为输出电压，v0在非饱和区满足：
f(s)=d1sτ＋d2(2)
式中，f(s)为输出信号电压(v)；s为曝光量(lx.s)；d1为直线段的斜率(v／lx.s)，表示ccd的光响应度；τ为光电转换系数，τ≈1；d2为无光照时ccd的输出电压，称为暗输出电压。特性曲线的拐点 g所对应的曝光量se称为饱和曝光量，所对应的输出电压vsat称为饱和输出电压。曝光量高于se后，ccd输出信号不再增加，可见，ccd图像传感器在非饱和区的光电转换特性接近于线性，因此，应将ccd的工作状态控制在非饱和区。
2 ccd的应用状况
ccd检测技术作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应用于尺寸、位移、表面形状检测和温度检测等领域。
2.1尺寸测量
由ccd传感器、光学成像系统、数据采集和处理系统构成的尺寸测量装置，具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。在尺寸测量中，通常采用合适的照明系统使被测物体通过物镜成像在ccd靶面上，通过对ccd输出的信号进行适当处理，提取测量对象的几何信息，结合光学系统的变换特性，可计算出被测尺寸［2］。
2.1.1零件尺寸的精确测量
1997年，j.b.liao［6］等将ccd摄像系统应用在三维坐标测量机(coordinate meas uring machine，cmm)上，实现了三维坐标的自动测量。他们将一个面阵ccd安装在与cmm的3个轴线都成45°角的固定位置，通过计算机视觉系统与cmm原来的控制系统连接来控制探头和工件的移动，以此探测探头和工件的三维位置。该方法不需要对原cm
