四轮定位光学测量的关键技术

1、与四轮定位相关的光学测量技术经历了 PSD、CCD、CMOS等3个发展阶段。目前最成熟可靠，且性能价 格比最好的技术当属CMOS光学成像技术。本文将对这些技术作详细介绍。关于PSDPSD （Position Sensitive Detectors），即位置敏感传感器。特点：精度低、测量重复性差、电路复杂，测量时需另加AD转换电路，测量结果容易受AD转换电路 噪声、外界温度及光线的影响。PSD是一块半导体的感光板，上面有三根电极，一根连在它的背面，另外两根连在两头。当一个点形状 的光照在板上面，在板两头的电极上就会有电流流出。此电流与光点照在板上的位置有关系，根据这两端 流出电流进行比较可算出点

2、形状的光照在板上的具体位置。由于环境光的影响，如果有其他的背景光线和反射的、折射的光点也射入PSD的感光板上，那么输出的 电流将是感光板收到的所有光的总和，可产生错误的输出电流。理轮上在没有环境光的影响下，PSD可以 达到一定的精确度，但在四轮定位应用中环境光的影响是无法避免的。而CCD及CMOS是输出一串脉冲 电压信号，可用一些特殊的数值信号处理技术将环境光过滤消除。PSD是以连续电流的方式输出，无法有 效分辩环境光的影响，因此测量精度、重复度不好。点形光的照射位置以电流的方式输出的PSD，还需要 AD转换。此外，环境温度、电池电源变化都会引起AD转换率的变化，这样的变化也会降低系统测量的精

3、 度和测量效果。因此，PSD产品的精度和稳定性较差，需要经常对设备进行校正。在国际上，PSD是上世 纪七、八十年代初期产品所采用的技术。目前，国际、国内主流四轮定位仪厂家均已淘汰了该技术。关于CCDCCD（Charge Couples Devices），即充电耦合传感器，由美国贝尔研究室于1969年发明。当初发明的目 的是想作为内存记忆用，但意外发现此CCD有很好的光电成像效果。特点：稳定度高、测量重复性好，但速度慢、功耗高、结构特殊、生产复杂、生产成本高。CCD主要是由一对MOS（Metal -Oxide Semiconductor金属氧化物半导体）充电电容与储电电容耦合而 成的相敏单元，又

4、称像素（pixel），就是一个点。充电电容部分可以把光信号转换成电能，储电电容部分不 感光但可储存电能，另由电路将储电电容部分串连成一行。读取时可经此电路将各个相敏单元（像素）收 到的光电能以电脉冲信号的方式一个个地送出。每一个脉冲信号只反映一个像素的受光情况，脉冲幅度的 高低反映该像素受光的强弱，读出的脉冲的顺序可以反映像素的位置。通常，CCD将一串像素排列成一行，单行或双行的CCD芯片称为线阵CCD，许多行排成一面的称为面 阵CCD。面阵CCD主要应用于录像机，二十年前录像机上大都标有CCD，强调采用了新技术。电视机显 像的宽高比是4:3，面阵CCD的行列比也都是4:3。线阵CCD芯片主要

5、应用在工业、国防以及需要高速成 像的工业相机。双行像素的目的是取彩色影像，一般的四轮定位仪采用单行像素CCD。当用CCD芯片设计相机时，可将点光源经过光学镜片（或长孔）转成长条光，投影到CCD像素行上。 在线阵CCD线上有千百个独立像素，入射光的位置可以直接对应像素的充电部分产生充电。该充电经位移 到电容部分后可以脉冲信号输出，从读出像素的对应位置可判断入射光的投影位置。因此，这种以像素决 定入射光投影位置的方法不容易受环境光线和背景光线及反射、折射光的干扰。背景环境光只能影响单个 像素，适当地经数值信号处理后，测量精度和测量效果可得到保证。现代工艺可将CCD像素做成微小到14呻，即两个相敏单

6、元之间的距离为14呻。由于充电与电容耦合 的需要，充电部分只有7呻，另一半是不感光的电容部分，如2000像素的线阵CCD的分辨率为土0.01时， 其测量范围可达10。四轮定位角度可用简单的光源投影像素位置及焦距计算得出。由于温度、湿度、环 境光线、背景光及反射光只能影响每个像素的受光情况及脉冲幅度的高低，不能影响投影像素位置，因此 测量稳定度、重复度高。十几年前，美国大熊CCD-3000四轮定位机最先采用CCD技术，德国的百世霸跟进，美国的亨特与战 车观望数年后也跟进采用了 CCD。由于CCD的结构特殊，需采用专用制造设备及特殊生产工艺，且生产CCD的投资无法和其他产品分摊， 因此CCD生产成

7、本很高。关于CMOSCMOS( Complimentary Metal -Oxide Semiconductor)，即互补金属氧化物半导体，是一种较新的半导体 结构。十年来CMOS已取代了许多其他技术，而成为电子工业的主流工艺。近年来CMOS技术开始应用 到成像芯片，成功地普及到了数码像机、传真机及扫描机。相信，今后几年内CMOS必定会取代CCD，成 为摄像芯片的主流。特点：抵抗环境光能力强，速度快，电源及耗电量低，成像质量高，可靠性好，测量重复性高。和CCD 一样，CMOS也有充电电容结构，也有相对应的储电电容，以类似方法将收到的光电能以电脉 冲信号的方式输出。同样，每一个脉冲信号只反映一个

8、像素的受光情况，脉冲幅度的高低反映该像素受光 情况并代表该像素受光的强弱，读出脉冲的顺序可以反映像素的位置。入射光投影的位置不受温度、湿度、 环境光线和背景光线及反射、折射光干扰，因此CMOS的测量稳定度、重复度与CCD 一样高。PSD、CCD、CMOS三大光学测量核心技术的比较PSD与CCD及CMOS相比CCD、CMOS是数码输出，PSD是模拟量输出。PSD是靠两端输出电流的比较值，以此决定角度。三者 都受环境光线和背景光线及反射、折射光的影响，且PSD输出的模拟电流需要AD处理后转为数字量。此 转化过程可能受电路噪声以及温度、湿度影响，在数据处理方面精度很难达到CCD以及CMOS的精度和

9、测量重复度。理论上在没有环境光的影响下，PSD可以达到一定的精确度，但在四轮定位应用中环境光的 影响是无法避免的。而CCD及CMOS输出一串脉冲电压信号，可用一些特殊的数字信号处理技术将环境 光过滤消除。因此，PSD技术在国内以及国际上都已经先后被知名厂家所淘汰。CCD与CMOS的技术对比CMOS与CCD均采用硅结构，二者在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS 是集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质区别。当前的CMOS可与市场上的最好的CCD相媲美，但CMOS的颜色质量、噪音和敏感度相当或优于CCD,且尺寸、费用和电量消耗等方面都 很优越。从技术角度看

10、，CCD与CMOS有如下区别：信息读取方式CCD电荷耦合器存储的电荷信息需在同步信号控制下，一位一位地实施转移后读取，因此读取输出信号 需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接 产生电流（或电压）信号，信号读取十分简便。速度CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电 传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快 得多。电源及耗电量CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非 常小，仅为CCD电

11、荷耦合器的1/8到1/10。CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。成像质量CCD电荷耦合器制作技术起步早、技术成熟，采用PN结或二氧化硅隔离层隔离噪声，在初期CCD成 像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。但近年来，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，CMOS的 成像质量已经可以与CCD相媲美。生产成本CCD只有少数几个厂商（例如索尼、松下等公司）掌握这种技术，其制造工艺复杂、功耗大、成本较高， 所以采用CCD的传感器价格都会相对比较贵。然而经过不断技术改造，目前市场上销售的数码摄像头中都 以CMOS感光器件为主。在采用CMOS为感光元器件的产品中，通过采用影像光源自动增益补强技术， 自动亮度、色饱和度、对比度等先进的影像控制技术，完全可以达到与CCD摄像头相媲美的效果，而且 CMOS的制造成本和功耗都比CCD低得多。强光补偿CMOS与CCD最大的不同点是CMOS像素充电与储存设计结构不同。CCD储存输出的偶合结构必