工业发达国家，无论是从研究水平 应用范围还是测量精度上仍然领先于中国的发展水平。我国在技术方面研究相对 较晚，研究水平也落后于欧美日等发达国家。在技术的研究方面，国内缺乏核， 芯片设计和制造技术，芯片方面尚需要大量的依赖于进口。在应用的层次和 领域内与发达国家还有着较大的差距。随着我国经济的大力向前发展，在工业和民用 两个方面对技术应用的要求呈迅猛上升的趋势。与此同时，基于的技术研究 和应用已经有了很大的发展，应用的领域也不断的趋于广泛。其中，在钢铁行业中， 为了保障钢材的产品质量往往要对钢管内外径或是钢材宽度进行实时在线检测，利用 线阵和单片机组成的光学测量系统测量钢管的内径，达到了系统分辨淮阴工学院毕业设计说明书论文第页共页 率采用线阵扫描，与柔性结合实现图像实时处理缺陷分类，达到 对钢板表面缺陷的计算机视觉无损在线检测。根据工业生产的需要，轧钢厂要将 出炉的钢条剪切成符合要求的钢坯，对些精度要求比较高的场合，实时地测量钢坯 的段长，快速检测出不符合要求的钢坯并将其回炉，这对提高生产效率以及钢条的利 用率都是非常必要的。由于线阵技术具有精确性实时性等特点，且钢坯温度高 达以上，难于现场测量，故利用线阵进行钢坯的非接触检测。在直径测量 领域，已经利用线阵对直径实现精密测量，并可以对的线径进行非接触 在线测量。在浮法玻璃生产中，利用半导体激光和线阵组成的在高温条件 下工作的玻璃厚度在线测量系统。系统样机对玻璃厚度进行在线测量的精度达， 测量范围为。在机械高速加工系统的工程技术应用中，利用线阵技术设 计了种新型光学瞬时转速测量系统。通过对转速瞬时值的测量，人们可以定量了解 转动机械内部动力发生装置的瞬时工作状通电容器的两个极板都是金属导体,而的电容有个极板是半导体。与金 属导体内部存在大量自由电子不同,半导体在常温和黑暗环境中基本上是绝缘的,也 就是说它的内部可以导电的载流子非常少。但若用光照射半导体衬底时,半导体就会 产生大量的电子空穴对,其导电性随之大大地增强了。所以当光照射时,加有偏压的 电容就能存储许多电荷,实验表明,的电容在定偏压下所存储的电荷量 与入射光强度成正比,光线越强,存储的电荷就越多。这就实现了的光电转换功 能。通常的单元电容也被称为光电二极管。 的电荷转移功能 那么,又是如何实现电荷的转移功能呢要实现这个功能就要把上的淮阴工学院毕业设计说明书论文第页共页 个个电容按定的方式连接起来的是种连接方式如图所示。为获得电荷转移功能, 在每组电容器的电极上分别加上时钟驱动脉冲,其波形如图所示。为 具体起见,我们假定将曝光,产生的电荷图像如图所示号电容有单位电 荷,号电容有单位电荷,其余的电容没有电荷,此时处于时刻。这时为高电 平,为低电平,号和号电容接高电平,电极下形成耗尽区,也可以形象化地称做 势阱,电荷就落入势阱中,如果我们把电荷比作水,那么势阱就相当于个水盆。在时 刻，都是高电平,此时号号及电极下都形成势阱,且号电容 和号电容的势阱分别连通到起,电荷数量未变,电荷在势阱中均匀分布。就与水 在水盆中的情况相似,如图中的所示。在时刻为低电平,为高电平。 电容因处于低电平,所以它们的势阱消失,只有电容处于高电平, 其势阱仍然保留,所以电荷就保留到电容的势阱中了,电荷数量仍然不变。 如图中所示。至此,我们已经看到了中存储的电荷图像是如何从个 单元向另个单元转移的情形。由上所述,我们已经了解了的基本功能是光电 转换电荷贮存。 图的种连接方式 存和电荷转移。为了存储电荷和转移电荷,必须有金属电极和连线,但是因为它们 的阻光作用又会降低光电转换效率,解决这个矛盾的方法有两种,是将电极和连线 做为透明的另个方法是将衬底作薄点,从背面进行光照。 淮阴工学院毕业设计说明书论文第页共页 图时钟脉冲波形 图电荷在的转移 线阵与面阵 用上面所讲的连接方法,可以将的单元连接成个长条形,通常称为线阵 。而数码相机中最常用的图像传感器是排列成个面阵形,称为面阵。面阵 是在块小小的硅片上,用大规模集成电路技术制作出数十万到数百万个光敏电 容即光电二极管,这每个光敏电容就是个像素。 面阵是如何实现电荷转移的呢图表示行间传输的原理。图中每 列光敏电容都按前述的方法连接成条线阵,每列之间设计成隔离状,以避免 列间电荷的影响每列又起与个移位寄存器相连接。移位寄存器是专门用来寄存淮阴工学院毕业设计说明书论文第页共页 和传输电荷的器件,有多种结构,这里所用的移位寄存器是将光电二极管按前述的方 法连接成的线阵,只是要用不透光的材料封起来,除去它的光电转换功能,保留它 的电荷存储和电荷转移功能。移位寄存器还与电压输出电路相连接,以便完成电信 号的输出。 下面具体分析面阵是如何将幅二维电荷图像转换成个时序串行电信号 的。首先,各列光电二极管电荷均向下移动个单位,这样第行电荷就转移到移位寄 存器中。接着移位寄存器中的电荷向右移位,经输出电路输出。当第行最后列的电 荷输出后,原第二行到第行的电荷又依次下移,原第二行电荷就到达移位寄存器,接着 向右移位输出。重复这个过程,整个阵列的电荷即可逐行读出。然后输入到放大 器进行放大。这个传递过程的质量可以这样来衡量传递过程中每个单位的电荷量 不能变化二每个单位的次序不能倒三传递的速度要尽可能地快。 在面阵中除采用行间电荷传输方式外,还有种智能传输方式,其原理如图 所示。拍照时的照相区次曝光生成电荷图像,接着整个的电荷图像被转移 到像素与照相区对应的暂存区的阵列里暂存起来,然后再把电荷逐行传输给移位 寄存器输出,照相区的阵列马上就可以进行第二次曝光。 接下来我们讨论线阵。对于面阵来说，应用面较广，如面积形状 尺寸位置，甚至温度等的测量。面阵的优点是可以获取二维图像信息，测量 图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数般较线阵少，帧幅度受到限制，而 线阵的优点是维像元数可以做得很多，而总像元数角较面阵机少，而且 像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于维动态目标的测量。以线阵在线 测量线径为例，就在不少论文中有所介绍，但在涉及到图像处理时都是基于理想的条 件下，而从实际工程应用的角度来讲，线阵图像处理算法还是相当复杂的。 由于生产技术的制约，单个面阵的面积很难达到般工业测量对视场的需 求。线阵的优点是分辨力高，价格低廉，如型线阵，光敏像元 数目为，像元尺寸为相邻像元中心距该线阵维成 像长度，可满足大多数测量视场的要求，但要用线阵获取二维图像，必 须配以扫描运动，而且为了能确定图像每像素点在被测件上的对应位置，还必须配 以光栅等器件以记录线阵每扫描行的坐标。般看来，这两方面的要求导致 用线阵获取图像有以下不足图像获取时间长，测量效率低由于扫描运动及 相应的位置反馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本图像精度可能受扫描运动精淮阴工学院毕业设计说明书论文第页共页 度的影响而降低，最终影响测量精度。 即使如此，线阵获取图像的方案在以下几方面仍有其特有的优势线阵 加上扫描机构及位置反馈环节，其成本仍然大大低于同等面积同等分辨率的面阵 扫描行的坐标由光栅提供，高精度的光栅尺的示值精度可高于面阵像元 间距的制造精度，从这个意义上讲，线阵获取的图像在扫描方向上的精度可高 于面阵图像新近出现的线阵亚像元的拼接技术可将两个芯片的像 元在线阵的排列长度方向上用光学的方法使之相互错位个像元，相当于将第二 片的所有像元依次插入第片的像元间隙中，间接减小线阵像 元尺寸，提高了的分辨率，缓解了由于受工艺和材料影响而很难减小像元 尺寸的难题，在理论上可获得比面阵更高的分辨率和精度。 因此，线阵加扫描运动获取图像的方案目前仍使用广泛，尤其是在要 求视场大，图像分辨率高的情况下甚至不能用面阵替代。但是，仅有高的 分辨率还不能保证有高的图像识别精度，特别是线阵获取的图像虽然分辨 率高，但由于受扫描运动精度的影响，其图像较面阵图像更具特殊性。因此， 图像识别时不仅要充分利用分辨率高的优势，还必须从算法上克服扫描运动的 影响，使机械传动的误差不致直接影响最终的图像识别精度。 图行间传输示意图 淮阴工学院毕业设计说明书论文第页共页 图的帧传输示意图 设计思路 在设计的初始阶段首先选择什么样的线阵，经过查阅资料本文选择了东芝公 司的这个型号的，这个型号的需要四路输入信号以及两路输出信号。 所以在设计过程中就需要配合这样的电路和单片机来配合这种。这样本文选择了 款。 是公司推出的种同步串行外设接口标准,允许与标准的外 围设备直接接口,以串行方式交换信息。在中就配备了。共有四路 信号,它们分别是串行时钟从机选择主机发送从机接收 主机接收从机发送,其工作时序如图所示淮阴工学院毕业设计说明书论文第页共页 绪论 选题的背景 相机作为种时尚的计算机外设，以其强大的功能方便的使用和越来越接近普 通相机的拍摄的效果，逐渐进入寻常百姓家。而数码相机中的光电转化系统是数码相 机最基本的组成部分。同时它也是决定数码相机品质的重要因素。数码相机的图像传 感器，其作用是将收到的光信号转化为模拟信号。目前数码相机使用的图像传感器有 占主导地位的和新开发的两种类型。 然而线阵结构简单，成本较低。可以同时储存行电视信号由于其单排感 光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大， 并且由于线阵实时传输光电变换信号和自扫描速度快频率响应高，能够实现 动态测量，并能在低照度下工作，所以线阵广泛地应用在产品尺寸测量和分类 非接触尺寸测量条形码等许多领域。 设计与要求 相机电子后背对于改善性能增加功能具有重要作用。本选题拟采用单片机为核 心，配以线阵信号采集模块显示模块存储模块等设计制作拍摄运动目标的 高性能相机电子后背。 及图像特点 由于像元是有间隔的，不论面阵还是线