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。 9nFWJ n
Q1|zX@,
1.关于PSD ,\a L v
+*Uv+oC|
PSD（PositionSensitiveDetectors），即位置敏感传感器。 unbIfl=
Y"yrc0'&T
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。 Hr!$mf) h
u7Ix7`V
PSD是一块半导体的感光板，上面有三根电极，一根连在它的背面，另外两根连在两头。当一个点形状的光照在板上面，在板两头的电极上就会有电流流出。此电流与光点照在板上的位置有关系，根据这两端流出电流进行比较可算出点形状的光照在板上的具体位置。 "Ehh9 m1&
?d{O' &|:
由于环境光的影响，如果有其他的背景光线和反射的、折射的光点也射入PSD的感光板上，那么输出的电流将是感光板收到的所有光的总和，可产生错误的输出电流。理轮上在没有环境光的影响下，PSD可以达到一定的精确度，但在四轮定位应用中环境光的影响是无法避免的。而CCD及CMOS是输出一串脉冲电压信号，可用一些特殊的数值信号处理技术将环境光过滤消除。PSD是以连续电流的方式输出，无法有效分辩环境光的影响，因此测量精度、重复度不好。点形光的照射位置以电流的方式输出的PSD，还需要AD转换。此外，环境温度、电池电源变化都会引起AD转换率的变化，这样的变化也会降低系统测量的精度和测量效果。因此，PSD产品的精度和稳定性较差，需要经常对设备进行校正。在国际上，PSD是上世纪七、八十年代初期产品所采用的技术。目前，国际、国内主流四轮定位仪厂家均已淘汰了该技术。 7y)Ar 8!D
pLV
%g#h
L%QRWhB
2.关于CCD I|<]>D -8
;Bzx}7A
CCD（ChargeCouplesDevices），即充电耦合传感器，由美国贝尔研究室于1969年发明。当初发明的目的是想作为内存记忆用，但意外发现此CCD有很好的光电成像效果。 tLq]#9kL
Q7<VuXy
特点：稳定度高、测量重复性好，但速度慢、功耗高、结构特殊、生产复杂、生产成本高。 u4m8^fj+ T
>kmgYWG
CCD主要是由一对MOS（Metal-OxideSemiconductor金属氧化物半导体）充电电容与储电电容耦合而成的相敏单元，又称像素（pixel），就是一个点。充电电容部分可以把光信号转换成电能，储电电容部分不感光但可储存电能，另由电路将储电电容部分串连成一行。读取时可经此电路将各个相敏单元（像素）收到的光电能以电脉冲信号的方式一个个地送出。每一个脉冲信号只反映一个像素的受光情况，脉冲幅度的高低反映该像素受光的强弱，读出的脉冲的顺序可以反映像素的位置。 B
I3fk
*,*O.#<6
通常，CCD将一串像素排列成一行，单行或双行的CCD芯片称为线阵CCD，许多行排成一面的称为面阵CCD。面阵CCD主要应用于录像机，二十年前录像机上大都标有CCD，强调采用了新技术。电视机显像的宽高比是4:3，面阵CCD的行列比也都是4:3。线阵CCD芯片主要应用在工业、国防以及需要高速成像的工业相机。双行像素的目的是取彩色影像，一般的四轮定位仪采用单行像素CCD。 )& Oxp&x
|JH NF s
当用CCD芯片设计相机时，可将点光源经过光学镜片（或长孔）转成长条光，投影到CCD像素行上。在线阵CCD线上有千百个独立像素，入射光的位置可以直接对应像素的充电部分产生充电。该充电经位移到电容部分后可以脉冲信号输出，从读出像素的对应位置可判断入射光的投影位置。因此，这种以像素决定入射光投影位置的方法不容易受环境光线和背景光线及反射、折射光的干扰。背景环境光只能影响单个像素，适当地经数值信号处理后，测量精度和测量效果可得到保证。 V |}9bNF
[^6z>
现代工艺可将CCD像素做成微小到14μm，即两个相敏单元之间的距离为14μm。由于充电与电容耦合的需要，充电部分只有7μm，另一半是不感光的电容部分，如2000像素的线阵CCD的分辨率为±0.01°时，其测量范围可达±10°。四轮定位角度可用简单的光源投影像素位置及焦距计算得出。由于温度、湿度、环境光线、背景光及反射光只能影响每个像素的受光情况及脉冲幅度的高低，不能影响投影像素位置，因此测量稳定度、重复度高。 U,61 3G
bX(/2_l
十几年前，美国大熊CCD-3000四轮定位机最先采用CCD技术，德国的百世霸跟进，美国的亨特与战车观望数年后也跟进采用了CCD。 n"D` =
Q4a7g$^
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生产成本很高。 "+wkr uC
3.关于CMOS D i4GaKa/
MuP>#Vk
CMOS（ComplimentaryMetal-OxideSemiconductor），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。 0( A ?&
Wi>m}^}9
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。 ;BT7pyu%[
mU?~s7
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。 i'"#{4I
j6XHH&ZEb
?_A[E]/H
4.PSD、CCD、CMOS三大光学测量核心技术的比较 A*81}P_
.>.GQ Ur
⑴PSD与CCD及CMOS相比 SE6 ( 3f$
\b8#xT}
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。 k<+Sj
h$
m6$&yKQ-=h
⑵CCD与CMOS的技术对比 RjPkH$u'Pj
Hc8He!X*#
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，CCD与CMOS有如下区别： bR~ (Ry`
x;E/
①信息读取方式 ,Tegrz&G
{Q _GJ
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。 Pc< "qy
wQjYH!u,YZ
②速度 C7* YZe
^RT_Lky
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。 cRD;a?0/6s
?*+U[*M
③电源及耗电量 xE^G*<mj:
F8{gJaP x
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。 H@$K /
[MwL=9;!H
④成像质量 a=A12<
&B[*L+-E
CCD电荷耦合器制作技术起步早、技术成熟，采用PN结或二氧化硅隔离层隔离噪声，在初期CCD成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。但近年来，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，CMOS的成像质量已经可以与CCD相媲美。 b$fmU"%&|
YlGUd~$`"+
⑤生产成本 . !Z5 A9^
ipp`9 9
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。 q0Q[]|L
R%\3[
⑥强光补偿 3Wbd=^hRvq
4dCXBTT
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需一个个像素以行列推送出去，而CMOS可以像内存记忆一样随机读出任何一个像素，这是很大的优点。不过，CMOS付出的代价是占用部分充电感光面做输送电路，因此降低了CMOS对光的敏感度。在四轮定位仪测量中，CMOS照相机可用超亮灯源或增加曝光时间来补偿强光的影响。低感光度的CMOS能在太阳光下照常工作，而一般CCD四轮定位仪在强光下是无法进行测量的。
