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2008-04-14 21:15 |
四輪定位儀光學測量技術介紹
與四輪定位相關的光學測量技術經(jīng)歷了PSD、CCD、CMOS等3個發(fā)展階段。 I~|.Re9a
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1.關于PSD Rjt]^gb!*
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PSD（PositionSensitiveDetectors），即位置敏感傳感器。 wMr*D['" #
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特點：精度低、測量重復性差、電路復雜，測量時需另加AD轉換電路，測量結果容易受AD轉換電路噪聲、外界溫度及光線的影響。 JZB7?@h%
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PSD是一塊半導體的感光板，上面有三根電極，一根連在它的背面，另外兩根連在兩頭。當一個點形狀的光照在板上面，在板兩頭的電極上就會有電流流出。此電流與光點照在板上的位置有關系，根據(jù)這兩端流出電流進行比較可算出點形狀的光照在板上的具體位置。 DY1UP (y
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由于環(huán)境光的影響，如果有其他的背景光線和反射的、折射的光點也射入PSD的感光板上，那么輸出的電流將是感光板收到的所有光的總和，可產(chǎn)生錯誤的輸出電流。理輪上在沒有環(huán)境光的影響下，PSD可以達到一定的精確度，但在四輪定位應用中環(huán)境光的影響是無法避免的。而CCD及CMOS是輸出一串脈沖電壓信號，可用一些特殊的數(shù)值信號處理技術將環(huán)境光過濾消除。PSD是以連續(xù)電流的方式輸出，無法有效分辯環(huán)境光的影響，因此測量精度、重復度不好。點形光的照射位置以電流的方式輸出的PSD，還需要AD轉換。此外，環(huán)境溫度、電池電源變化都會引起AD轉換率的變化，這樣的變化也會降低系統(tǒng)測量的精度和測量效果。因此，PSD產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性較差，需要經(jīng)常對設備進行校正。在國際上，PSD是上世紀七、八十年代初期產(chǎn)品所采用的技術。目前，國際、國內(nèi)主流四輪定位儀廠家均已淘汰了該技術。 3,t3 \`=
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2.關于CCD @#rF8;
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CCD（ChargeCouplesDevices），即充電耦合傳感器，由美國貝爾研究室于1969年發(fā)明。當初發(fā)明的目的是想作為內(nèi)存記憶用，但意外發(fā)現(xiàn)此CCD有很好的光電成像效果。 @p"m{
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特點：穩(wěn)定度高、測量重復性好，但速度慢、功耗高、結構特殊、生產(chǎn)復雜、生產(chǎn)成本高。 WS6'R
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CCD主要是由一對MOS（Metal-OxideSemiconductor金屬氧化物半導體）充電電容與儲電電容耦合而成的相敏單元，又稱像素（pixel），就是一個點。充電電容部分可以把光信號轉換成電能，儲電電容部分不感光但可儲存電能，另由電路將儲電電容部分串連成一行。讀取時可經(jīng)此電路將各個相敏單元（像素）收到的光電能以電脈沖信號的方式一個個地送出。每一個脈沖信號只反映一個像素的受光情況，脈沖幅度的高低反映該像素受光的強弱，讀出的脈沖的順序可以反映像素的位置。 muc6gwBp
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通常，CCD將一串像素排列成一行，單行或雙行的CCD芯片稱為線陣CCD，許多行排成一面的稱為面陣CCD。面陣CCD主要應用于錄像機，二十年前錄像機上大都標有CCD，強調(diào)采用了新技術。電視機顯像的寬高比是4:3，面陣CCD的行列比也都是4:3。線陣CCD芯片主要應用在工業(yè)、國防以及需要高速成像的工業(yè)相機。雙行像素的目的是取彩色影像，一般的四輪定位儀采用單行像素CCD。 4SlEc|'7@
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當用CCD芯片設計相機時，可將點光源經(jīng)過光學鏡片（或長孔）轉成長條光，投影到CCD像素行上。在線陣CCD線上有千百個獨立像素，入射光的位置可以直接對應像素的充電部分產(chǎn)生充電。該充電經(jīng)位移到電容部分后可以脈沖信號輸出，從讀出像素的對應位置可判斷入射光的投影位置。因此，這種以像素決定入射光投影位置的方法不容易受環(huán)境光線和背景光線及反射、折射光的干擾。背景環(huán)境光只能影響單個像素，適當?shù)亟?jīng)數(shù)值信號處理后，測量精度和測量效果可得到保證。 it77x3Mm
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現(xiàn)代工藝可將CCD像素做成微小到14μm，即兩個相敏單元之間的距離為14μm。由于充電與電容耦合的需要，充電部分只有7μm，另一半是不感光的電容部分，如2000像素的線陣CCD的分辨率為±0.01°時，其測量范圍可達±10°。四輪定位角度可用簡單的光源投影像素位置及焦距計算得出。由于溫度、濕度、環(huán)境光線、背景光及反射光只能影響每個像素的受光情況及脈沖幅度的高低，不能影響投影像素位置，因此測量穩(wěn)定度、重復度高。 \SKobO?qI
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十幾年前，美國大熊CCD-3000四輪定位機最先采用CCD技術，德國的百世霸跟進，美國的亨特與戰(zhàn)車觀望數(shù)年后也跟進采用了CCD。 F=EG#<@u
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由于CCD的結構特殊，需采用專用制造設備及特殊生產(chǎn)工藝，且生產(chǎn)CCD的投資無法和其他產(chǎn)品分攤，因此CCD生產(chǎn)成本很高。 -c4g;;%
3.關于CMOS {9B"'65o
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CMOS（ComplimentaryMetal-OxideSemiconductor），即互補金屬氧化物半導體，是一種較新的半導體結構。十年來CMOS已取代了許多其他技術，而成為電子工業(yè)的主流工藝。近年來CMOS技術開始應用到成像芯片，成功地普及到了數(shù)碼像機、傳真機及掃描機。相信，今后幾年內(nèi)CMOS必定會取代CCD，成為攝像芯片的主流。 ~xCv_u^=
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特點：抵抗環(huán)境光能力強，速度快，電源及耗電量低，成像質(zhì)量高，可靠性好，測量重復性高。 A{|^_1
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和CCD一樣，CMOS也有充電電容結構，也有相對應的儲電電容，以類似方法將收到的光電能以電脈沖信號的方式輸出。同樣，每一個脈沖信號只反映一個像素的受光情況，脈沖幅度的高低反映該像素受光情況并代表該像素受光的強弱，讀出脈沖的順序可以反映像素的位置。入射光投影的位置不受溫度、濕度、環(huán)境光線和背景光線及反射、折射光干擾，因此CMOS的測量穩(wěn)定度、重復度與CCD一樣高。 W-D{ c U
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4.PSD、CCD、CMOS三大光學測量核心技術的比較 6 --t6 >5
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⑴PSD與CCD及CMOS相比 XSHK7vpMf
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CCD、CMOS是數(shù)碼輸出，PSD是模擬量輸出。PSD是靠兩端輸出電流的比較值，以此決定角度。三者都受環(huán)境光線和背景光線及反射、折射光的影響，且PSD輸出的模擬電流需要AD處理后轉為數(shù)字量。此轉化過程可能受電路噪聲以及溫度、濕度影響，在數(shù)據(jù)處理方面精度很難達到CCD以及CMOS的精度和測量重復度。理論上在沒有環(huán)境光的影響下，PSD可以達到一定的精確度，但在四輪定位應用中環(huán)境光的影響是無法避免的。而CCD及CMOS輸出一串脈沖電壓信號，可用一些特殊的數(shù)字信號處理技術將環(huán)境光過濾消除。因此，PSD技術在國內(nèi)以及國際上都已經(jīng)先后被知名廠家所淘汰。 FJQ=611@
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