线阵ccd传感器 CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式

发布时间：2024-11-26 05:11:11

CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式

维纳德 • 波利（左）和乔治 • 史密斯（右）在1969年发明了CCD技术

来源：文献[1]

2009年，维纳德 • 波利（Willard S. Boyle）和乔治 • 史密斯（George E. Smith）因为发明CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件，或称为CCD图像传感器）而获得当年的诺贝尔物理学奖。

诺贝尔奖委员会主席约瑟夫·诺德格伦（Joseph Nordgren）在宣布该奖项的新闻发布会上说：“当今社会的记录影像的方式完全基于CCD的研究。” “这项研究的实际意义是巨大的……它改变了我们的生活，不仅在科学领域，而且在整个社会领域。”

胶片时代

在1975年数码相机发明以前，人们记录影像的方式是使用胶片。它的工作过程可以概述为：光线经过照相机镜头，然后由快门的速度来决定曝光量的多少。光线使胶片上的银盐产生化学反应，最后在胶片上生成影像的潜影。经过暗房里的冲洗形成影像并制成底片。利用调配将底片显影最终印出。

胶片摄影需要经过复杂的处理才能得到影像

[图片来源自网络]

CCD的发明

1969年10月，史密斯和波利在贝尔实验室吃午餐时，讨论产生了灵感。午餐后继续探讨，当天就构想出了CCD这个无处不在的成像发明。不过，从造出样机到研制出科学家和摄影师都可以使用的实用技术，这条路漫长而艰难。尽管CCD后来主宰了天文学领域，但它在刚发明时分辨率非常低，根本派不上实际用场。当时CCD的信噪比很差，不大容易看得出它是否会有远大的前程。

第一个CCD器件

来源：文献[4]

第一个CCD集成器件

来源：文献[4]

早期的线性成像CCD

来源：文献[4]

在接下来的时间里，成百上千的科学家和工程师努力奋斗，逐步将CCD推向实用化，包括美国的仙童(Fairchild)、柯达泰克(Tektronix)和德州仪器(Texas Instruments，TI)，以及日本的夏普(Sharp)、索尼(SONY)、东芝(Toshiba)和日本电气(NEC)等公司都作出了许多贡献。航天、科学和消费等方面的应用，都得益于为解决CCD问题而从不同渠道投入的经费，但是问题还是很棘手，那是一条非常艰苦的发展之路。

CCD的原理

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。像素数越高,面积越大,成像质量就越高越清晰。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线、储存信号并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给相邻的图像处理器来形成图像。

MOS电容器是构成CCD的最基本单元，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。

MOS电容器

来源：文献[4]

CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测：

（1）信号电荷的注入（产生）：在CCD中，电荷注入的方式可分为光注入和电注入两类。当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。

背照式光注入

来源：文献[8]

所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。电注入常用的有电流注入和电压注入两种方式。

电注入方式

来源：文献[8]

（2）信号电荷的存储：CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。

当向SiO表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。

电荷存储

来源：文献[8]

（3）信号电荷的传输（耦合）：CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。

电荷转移

来源：文献[7]

三相CCD中电荷的转移方式

(a）初始状态；(b) 电荷由①电极向②电极转移；(c) 电荷在①、②电极下均匀分布；(d) 电荷继续由①电极向②电极转移；(e) 电荷完全转移到②电极；(f) 三相交叠脉冲

来源：文献[8]

（4）信号电荷的检测：CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。

其中电荷输出类型，主要有三种：1）电流输出；2）浮置栅放大器输出；3）浮置扩散放大器输出。

电荷检测电路

来源：文献[8]

CCD工作过程示意图

来源：文献[6]

CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列。 在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。

按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两大类。

线阵CCD每次扫描一条线，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。线阵CCD又分为单沟道线阵CCD和双沟道线阵CCD。

单沟道线阵CCD：转移次数多、效率低。只适用于像素单元较少的成像器件。

双沟道线阵CCD：转移次数减少一半，它的总转移效率也提高为原来的两倍。

线阵CCD

来源：文献[6]

面阵CCD：按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵CCD。面阵CCD同时曝光整个图像。

帧转移面阵CCD——优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点：需要面积较大暂存区。

帧转移面阵CCD结构及工作过程

来源：文献[6]

隔列转移面阵CCD——优点：转移效率大大提高。缺点：结构较为复杂。

隔列转移面阵CCD结构及工作过程

来源：文献[6]

CCD功能示意图

来源：文献[7]

CCD芯片结构

图片来源自网络

CCD的发展

CCD的发明具有划时代的意义，它的出现使得人类捕捉信息达85%的眼睛这个重要器官得到了极大扩展与延申。

促进CCD快速发展主要有三个因素：首先，CCD的尺寸小，重量轻，消耗功率少，超低噪声，动态范围较大，线性良好，可靠，耐用。第二，这种器件在形状、快速、外形质量和成本方面能与真空管抗衡。第三，空间成像应用需要新的探测器。

20世纪70年代，美国贝尔实验室成功研制了世界上第一只CCD，它的诞生使成像、摄像等技术呈现一次飞跃。1973年，仙童公司把CCD技术应用于商业领域，制造出第一只商用CCD成像器件，这开辟了CCD在工业领域的道路。80年代后期，CCD在大多数视频应用中取代了电子管。进入90年代后，CCD应用于分辨成像，广泛应用于专业电子照相、空间探测、X射线成像及其他科研领域。

两种CCD产品

图片来源自网络

市场应用的结果证明CCD是科学领域的一项重大技术变革。它在被忽视数十年之后，能获得2009年的诺贝尔奖可谓实至名归。

变革不停

但是，科学技术的进步一刻也不曾停止。1998年，CMOS图像传感器（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor，CIS）诞生了。CMOS的光电信息转换功能与CCD的基本相似，区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电少(仅为CCD芯片的1/10左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。从2008年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式CMOS使用在不同的数码相机产品上。从此，CMOS图像传感器迅速发展。

CMOS取代CCD

图片来源自网络

科技不断发展，相信在未来的某一天，一定会有更多种类的传感器出现，这也只是时间的问题，到那时我们回望过去，看看我们曾经经历过的胶片时代、CCD时代和CMOS时代，一定会由衷的感叹科技日新月异的飞速发展。

参考文献

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/summary/

张汝京. 半导体产业背后的故事[M]. 清华大学出版社, 2013.

董艺婷. 摄影技术的发展及对当代社会的作用研究[D].哈尔滨师范大学,2016.

Smith, G. E. (2009). "The invention and early history of the CCD." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 607(1): 1-6.

https://www.microscopyu.com/digital-imaging/introduction-to-charge-coupled-devices-ccds

https://www.mega-9.com/tech/tech-45.html

https://specinstcameras.com/what-is-a-ccd/

王庆有. 图像传感器应用技术[M]. 电子工业出版社, 2019.

https://www.docin.com/p-505990925.html

http://dc.yesky.com/88/31913588all.shtml

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不代表中科院物理所立场

来源：中科院半导体所

编辑：荔枝果冻

基于STM32的便携式线阵CCD测量系统设计

刘珍珍，汪涛，郑雪丽

(重庆大学物理学院，重庆 401331)

摘要：为了提高电荷耦合器件（CCD）一维尺度非接触测量系统的集成性和便携程度，设计了以STM32为核心的测量系统。使用3.7 V锂电池供电，用STM32产生线阵CCD驱动信号，内嵌边缘检测算法并设计了LCD液晶触摸屏操作界面，实现了一款高精度便携式非接触测量仪。系统功能完整、操作方便、可靠性高。

0引言

电荷耦合器件CCD（ChargeCoupled Device）［1］自上世纪60年代诞生以来，由于其具有精度高、功耗低、尺寸小、寿命长等优点，被广泛地应用于自动测量、图像获取等方面。随着CCD应用市场的扩大，CCD测量系统的实现方法也曾出不穷。现有的CCD测量系统多采用单片机或FPGA驱动，用串口或USB进行数据传输，用电脑上位机完成数据的处理和显示，供电方式则多采用5 V电压转换器或USB供电。这样的设计使得CCD测量系统的使用灵活程度、便携性、实时性都受到限制。

为解决以上问题，设计了一款基于STM32便携式线阵CCD测量系统。系统驱动方式采用ARM驱动，选用意法半导体公司的STM32F103作为主控芯片完成驱动信号的生成和控制功能。采用中值滤波和基于梯度算子的直线拟合边缘提取算法［2］处理数据，设计了LCD触摸屏操作界面实时显示数据波形和测量结果。供电方式采用3.7 V锂电池供电，并设计了USB充电电路。如此设计克服了现有CCD测量系统开发成本高、连线复杂、便携性差等问题。

1系统结构

系统主要由ARM处理器、电平转换、线阵CCD、A/D转换、LCD液晶触摸显示及SD存储卡等部分组成。

系统工作过程如下：ARM处理器产生驱动脉冲，通过电平转换之后驱动线阵CCD工作，线阵CCD的光敏单元受光的激发产生电信号，并在驱动脉冲的作用下输出离散的模拟信号，此信号经过0.1 μF的隔直耦合电容后传入A/D转换电路，A/D转换后的数字信号经过ARM内部的DMA快速数据传输通道送入片内RAM。在接收完一帧CCD数据之后，对数据进行计算，并通过LCD液晶屏显示信号波形和测量结果。通过LCD触摸屏按键可以选择性地保存原始数据和屏幕截图到SD卡。系统框架如图1所示。

2系统硬件组成

2.1电源模块

本系统选用的电池为单节3.7 V锂电池，电池容量6 000 mWh。该电池电量在5%以上时电压范围3.45 V~4.2 V。根据系统需求设计了3.3 V降压电路和5 V、12 V升压电路。芯片选型和电路设计中主要考虑了输入电压范围、电源转换效率、输出功率、静态电流、电路复杂程度和成本等问题。

2.2控制模块

系统主控芯片选用STM32F103ZET6，其为意法半导体公司推出的一款基于Cortex-M3内核的32位微处理器。该处理器最大时钟频率可达到72 MHz，具有64 KB静态RAM，516 KB闪存，完全满足系统对实时性以及存储空间的要求。具备3个SPI通信接口和FSMC灵活的静态存储器管理系统，方便对SD卡和LCD屏幕的操作。带有2个高级定时器和6个通用定时器，为CCD驱动和AD驱动时序的设计提供了支持，有112个GPIO口，可根据需求对引脚的功能进行复用，方便对系统进行扩展。

2.3信号采集和A/D转换模块

本设计选用的线阵CCD传感器为东芝公司生产的TCD1209，这款CCD灵敏度高、暗信号电压小、动态范围比较大，适用于测量系统。它有2 048个有效像元，像元尺寸为14 μm×14 μm，光敏区总长度为28.4 mm。 TCD1209工作需要6路5 V电平的驱动时序，这些信号的时序关系在驱动信号设计部分介绍。

选用AD公司生产的AD9945对线阵CCD输出的模拟信号进行模数转换。它是一款适合本系统CCD应用的完整模拟信号处理器［3］。该芯片最高采样频率为40 MHz，其信号链包括CDS（相关双采样器）、VGA（数字控制增益放大器）、AD（12位模数转换器）以及暗电平钳位。其相关双采样器CDS可以减小系统的复位噪声、热噪声等，有效提高信号质量。数字控制增益放大器VGA可以通过一个10位的串行数字接口编程配置，设置CCD的信号增益，增益范围为6~40 dB，增益调整的公式为VGA Gain(dB)=(VGA Code×0.035 dB)+5.3 dB。12位的A/D转换器将模拟信号转换为12 bit数字信号，实现并行输出。

2.4LCD显示模块

本设计中显示器选用分辨率为800×480的4.3英寸TFTLCD电容触摸屏模块，该模块16位真彩色显示，采用NT35510驱动，该芯片自带GRAM，无需外加驱动器。TFTLCD模块与STM32的连接采用FSMC（灵活的静态存储控制器），16位8080并行数据端口用于传输数据，5个控制端口用于驱动液晶屏，这样的驱动模式可以实现快速读写，写周期只需要33 ns，理论上最大速度可以达到每秒3 030万像素，即刷屏速度每秒78.9帧。

3驱动信号设计

3.1CCD驱动时序产生

CCD工作需要的6路驱动时序包括移位脉冲φ1、φ2，信号输出脉冲φ2b，转移脉冲SH，复位脉冲RS，箝位脉冲CP。在这六路驱动信号协同工作下，CCD完成光的积分和转移输出。SH为低电平时，CCD进行光积分，此阶段不发生电荷转移。SH为高电平时，CCD将光积分信号转移至移位寄存器，移位寄存器在φ1、φ2的作用下将电荷逐位转移至输出端，最后由φ2b输出。在下一个信号到来前，RS和CP对相元中的残余信号进行清除。CCD六路驱动信号需要满足严格的时序关系，时序图如图2所示。

φ1由STM32的高级定时器TIM1_Channel2产生。STM32时钟主频为72 MHz，TIM1工作在PWM1模式，设置TIM1 自动重装载寄存器的值为71，输出比较值为35，输出比较极性为高，便可以产生频率为1 MHz、占空比1∶1的时序波形。TIM1_Channel2的输出信号经反相器SN74LVC3G04取反并转换为5 V电平后即得到驱动信号φ1，φ1再次经过反相器即得到φ2和φ2b。

RS和CP分别由STM32定时器3的Channel1、 Channel2和Channel3、 Channel4产生。由CCD驱动时序图可以看出，以φ1的信号周期为标准，在一个信号周期内RS和CP信号要先上升后下降，也就是需要在一个周期内产生低—高—低电平，而STM32定时器在一个周期内只能产生高—低电平或者低—高电平。因此本设计用定时器的两个通道输出两个有相位差的高—低电平，经过异或门SN74LVC2G86来生成所需信号。TIM3工作在PWM3模式，设置TIM3 自动重装载寄存器的值为71，4个通道输出比较值分别为36、42、46、52， Channel1和Channel2经过SN74LVC2G86取异或得到信号RS，Channel3和Channel4经过SN74LVC2G86取异或得到信号CP。

SH配置到PA_10，由TIM2中断控制产生，TIM2工作在TIM1触发模式，TIM1计数器满则触发TIM2计数器加1，TIM2预装载寄存器的值设置为3 000，TIM2计数器溢出进入中断函数。关闭所有定时器，将PA_10置0，延时3 μs，将PA_10置1，打开所有定时器，退出中断。PA_10输出信号经SN74LVC3G04取反并转换为5 V电平后即得到驱动信号SH。

3.2A/D驱动工作控制

AD9945工作包括数字控制增益放大器的配置、相关双采样和12位AD转换。配置VGA（数字控制增益放大器）需要三路时序信号SL、SCK、SDATA，这三路信号满足SPI协议，所以利用STM32的SPI2接口来为SL、SCK、SDATA提供时序脉冲。

AD9945的相关双采样功能的实现和暗电平钳位功能的实现需要驱动信号SHP、SHD、DATACLK和PBCLK、CLPOB。SHP和SHD的采样频率应该与CCD的频率一致，才能保证各个信号被有效采集。在本系统中，SHP、SHD和SDATA分别由STM32 TIM4的Chanel1、Chanel2和Chanel3控制。TIM4工作在PWM2输出模式，预装载寄存器的值为71，3个通道输出比较值分别为38、60、20，即得到满足时序关系的SHP、SHD和SDATA信号，这三路信号经过SN74LVC3G04电平转换增强驱动能力。

PBCLK、CLPOB分别由定时器2的Channel1、Channel2和Channel3、Channel4产生，TIM2工作在PWM2模式，预装载寄存器的值为3 000,4个通道的输出比较值分别为14、28、14、2 088，信号CLPOB由定时器2的Channel1、Channel2两路输出信号经SN74LVC2G86取异或得到，信号PBCLK由定时器2的Channel2、Channel3两路输出信号经SN74LVC2G86取异或得到。

4图像处理和LCD显示

本系统用于测量缝宽的光路图如图3所示。用均匀光源照射待测物体，物体反射光经镜头在CCD光敏面成像，CCD采集到的数据图像在像的位置形成凹槽，只要检测出凹槽的两个边缘位置，即可得到像的宽度。镜头在某个物像位置下的放大倍数通过定标和曲线拟合的方法获得，待测缝宽可由像宽乘以放大倍数得到。

4.1数据预处理

CCD采集的数据中通常带有高频噪声，这些噪声的存在会影响算法的执行效率。中值滤波是最常用的处理高频信号的方法，它能够在除去高频噪声的同时保留图像边缘细节。因此需要先对原始数据进行中值滤波处理。

4.2边缘提取

理想的边缘信号是一阶跃函数［4］，而CCD采集到的实际边缘信号是一个渐变信号，为准确地提取边缘信号，采用基于梯度算子的直线拟合法［5］。算法经过简化处理后实现步骤如下：

（1）选取拟合窗口，由于实际测量光照强度的不确定性，采取浮动阈值法，即先寻找一帧数据中的最大值Vmax与最小值Vmin，由此设定窗口阈值：

Vh=Vmin+0.8(Vmax-Vmin)

Vl=Vmin+0.2(Vmax-Vmin)

(2)边缘粗定位，根据边缘成像的原理，线阵CCD图像的边缘即为过渡区中灰度变化斜率最大值所在位置。线阵CCD采集得到的数字图像是离散量，其梯度幅值为 R(i)=|V(i)－V(i－1)|，在窗口区域内，利用梯度算子寻找出梯度最大值，对应的位置即为图像边缘粗定位所在位置。

(3)确定边缘，在原窗口内，以梯度最大值点的灰度V(i)为中心，向两边按步长m扩张，确定拟合值：

Vl=V(i)-m(Vmax-Vmin),Vl>Vmin

Vh=V(i-1)+m(Vmax-Vmin),Vh<Vmax

从i开始向左搜索找出第一个大于Vl的点n1，从i-1开始向右搜索找出第一个小于Vh的点n2，点（n1，Vl）与点（n2，Vh）所连直线的中点位置X1作为图像边缘。

(4)重复步骤(3)3次，得到5个边缘值X0、X1、X2、X3、X4，将5个边缘值按顺序排列取中值作为最终确定的边缘X。

4.3LCD显示

LCD选用ALINTAK 4.3英寸电容触摸屏模块，模块自带底层驱动，提供了丰富的操作函数，包括画点、读点、显示字符、触屏读点等。此屏幕分辨率为800*480，将屏幕分为波形显示区和按键区两部分。

4.3.1波形显示的实现

首先用画点函数LCD_DrawPoint( px［i］, py［i］) 绘制网格并显示坐标。接着绘制数据波形，CCD输出的一帧有效数据为2 048个，每个数据都是12 bit，即范围在0~4 096。在600×400的点阵范围显示信号波形，把长度方向作为线阵CCD的像素序号横坐标，宽度方向作为纵坐标，对应像元灰度值。横坐标方向上数据抽样显示，纵坐标方向对灰度值进行压缩。具体实现如下：

for(i=0;i<600;i++)

{

px［i］=i+Left;

py［i］=( ccd_data ［i*2048/600］*400)>>12;

}

LCD_DrawPoint( px［i］, py［i］);

为实现波形实时显示，需要完成波形的自动擦除和重绘［6］。定义了一个数组 iTemp［600］={0} 用于存储上一帧数据，定义一个8 bit变量Py_Used用于标志屏幕上是否有波形显示。在绘制波形前先检查Py_Used是否为1，若为1则用背景色绘制iTemp［600］存储的数据并将Py_Used置0。绘完一帧波形后将当前的数据存入iTemp［600］，以备下一次擦除波形使用。

用背景色绘制上一帧数据擦除波形的方法简便快捷，但是擦除波形的同时，会擦除一部分网格线。为了解决这个问题，使用定时器中断，每隔0.5 s重绘网格。最终得到了很好的波形显示效果。

4.3.2触摸屏按键的实现

通过测量触摸点电压经过A/D转换的值得到触摸点的横纵坐标。通过判断触摸点位置所在的按键区域，执行相应操作，触摸屏操作程序流程如图4所示。

5结论

基于STM32设计的便携式CCD测量仪，取代了以往设计中依赖固定电源和电脑上位机的测量系统。利用STM32的多种优势，提高了系统的集成度和便携性，内嵌边缘检测算法的设计提高了系统的实时性和测量精度。如图5所示为系统测量5 cm标准缝宽，LCD显示结果为4.98 cm，测量相对误差为0.4%。本系统还可以拓展到其他应用中，例如测量位移、衍射法测量细丝直径、振动测量等，将数据进行灰度阈值划分并以灰度颜色显示还可以用于扫描图像。

参考文献

［1］王庆有. CCD应用技术［M］. 天津：天津大学出版社，2000.

［2］翟青涌，黄建国，程玉华. 基于梯度算子的线阵CCD图像边缘检测方法研究［J］.电子质量，2009（10）：12.

［3］刘奋飞，赵辉，陶卫，等. 改进的直线拟合线阵CCD图像边缘检测方法［J］.光电工程，2005，32（3）：4043.

［4］杜昕，汪小澄. 线阵CCD数据采集及LCD显示［J］.自动化仪表，2007，28（12）：3639.

［5］余皓，刘秉琦，王海宽，等. 线阵CCD图像两种直线拟合边缘检测方法比较研究［J］.光学仪器，2015，37（3）：268271.

［6］马超，高鹏，杨白芹，等. 基于STM32和uC/OSII的嵌入式数字示波器设计［J］.电子技术，2013（12）：7375.

线阵ccd传感器 CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式

CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式

基于STM32的便携式线阵CCD测量系统设计

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