四輪定位光學測量的關鍵技術—PSD、CCD、CMOS
與四輪定位相關的光學測量技術經歷了PSD、CCD、CMOS等3個發展階段。
四輪定位儀光學測量技術1.關於PSD
PSD（PositionSensitiveDetectors），即位置敏感感測器。
特點：精度低、測量重複性差、電路複雜，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。
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係，根據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。
由於環境光的影響，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，可產生錯誤的輸出電流。理輪上在沒有環境光的影響下，PSD可以達到一定的精確度，但在四輪定位套用中環境光的影響是無法避免的。而CCD及CMOS是輸出一串脈衝電壓信號，可用一些特殊的數值信號處理技術將環境光過濾消除。PSD是以連續電流的方式輸出，無法有效分辯環境光的影響，因此測量精度、重複度不好。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測量的精度和測量效果。因此，PSD產品的精度和穩定性較差，需要經常對設備進行校正。在國際上，PSD是上世紀七、八十年代初期產品所採用的技術。目前，國際、國內主流四輪定位儀廠家均已淘汰了該技術。
四輪定位儀光學測量技術2.關於CCD
CCD（ChargeCouplesDevices），即充電耦合感測器，由美國貝爾研究室於1969年發明。當初發明的目的是想作為記憶體記憶用，但意外發現此CCD有很好的光電成像效果。
特點：穩定度高、測量重複性好，但速度慢、功耗高、結構特殊、生產複雜、生產成本高。
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。讀取時可經此電路將各個相敏單元（像素）收到的光電能以電脈衝信號的方式一個個地送出。每一個脈衝信號只反映一個像素的受光情況，脈衝幅度的高低反映該像素受光的強弱，讀出的脈衝的順序可以反映像素的位置。
通常，CCD將一串像素排列成一行，單行或雙行的CCD晶片稱為線陣CCD，許多行排成一面的稱為面陣CCD。面陣CCD主要套用於錄像機，二十年前錄像機上大都標有CCD，強調採用了新技術。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晶片主要套用在工業、國防以及需要高速成像的工業相機。雙行像素的目的是取彩色影像，一般的四輪定位儀採用單行像素CCD。
當用CCD晶片設計相機時，可將點光源經過光學鏡片（或長孔）轉成長條光，投影到CCD像素行上。線上陣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生充電。該充電經位移到電容部分後可以脈衝信號輸出，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境光線和背景光線及反射、折射光的干擾。背景環境光只能影響單個像素，適當地經數值信號處理後，測量精度和測量效果可得到保證。
現代工藝可將CCD像素做成微小到14μm，即兩個相敏單元之間的距離為14μm。由於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的解析度為±0.01°時，其測量範圍可達±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。由於溫度、濕度、環境光線、背景光及反射光只能影響每個像素的受光情況及脈衝幅度的高低，不能影響投影像素位置，因此測量穩定度、重複度高。
十幾年前，美國大熊CCD-3000四輪定位機最先採用CCD技術，德國的百世霸跟進，美國的亨特與戰車觀望數年後也跟進採用了CCD。
由於CCD的結構特殊，需採用專用製造設備及特殊生產工藝，且生產CCD的投資無法和其他產品分攤，因此CCD生產成本很高。
四輪定位儀光學測量技術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，而成為電子工業的主流工藝。近年來CMOS技術開始套用到成像晶片，成功地普及到了數碼像機、傳真機及掃描機。相信，今後幾年內CMOS必定會取代CCD，成為攝像晶片的主流。
特點：抵抗環境光能力強，速度快，電源及耗電量低，成像質量高，可靠性好，測量重複性高。
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衝信號的方式輸出。同樣，每一個脈衝信號只反映一個像素的受光情況，脈衝幅度的高低反映該像素受光情況並代表該像素受光的強弱，讀出脈衝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、環境光線和背景光線及反射、折射光干擾，因此CMOS的測量穩定度、重複度與CCD一樣高。
4.PSD、CCD、CMOS三大光學測量核心技術的比較
⑴PSD與CCD及CMOS相比
CCD、CMOS是數碼輸出，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處理後轉為數字量。此轉化過程可能受電路噪聲以及溫度、濕度影響，在數據處理方面精度很難達到CCD以及CMOS的精度和測量重複度。理論上在沒有環境光的影響下，PSD可以達到一定的精確度，但在四輪定位套用中環境光的影響是無法避免的。而CCD及CMOS輸出一串脈衝電壓信號，可用一些特殊的數位訊號處理技術將環境光過濾消除。因此，PSD技術在國內以及國際上都已經先後被知名廠家所淘汰。
⑵CCD與CMOS的技術對比
CMOS與CCD均採用矽結構，二者在製造上的主要區別是CCD是集成在半導體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的半導體材料上，工作原理沒有本質區別。當前的CMOS可與市場上的最好的CCD相媲美，但CMOS的顏色質量、噪音和敏感度相當或優於CCD，且尺寸、費用和電量消耗等方面都很優越。從技術角度看，CCD與CMOS有如下區別：
①信息讀取方式
CCD電荷耦合器存儲的電荷信息需在同步信號控制下，一位一位地實施轉移後讀取，因此讀取輸出信號需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為複雜。CMOS光電感測器經光電轉換後直接產生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡便。
②速度
CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電感測器採集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快得多。
③電源及耗電量
CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電感測器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10。CMOS光電感測器在節能方面具有很大優勢。
④成像質量
CCD電荷耦合器製作技術起步早、技術成熟，採用PN結或二氧化矽隔離層隔離噪聲，在初期CCD成像質量相對CMOS光電感測器有一定優勢。但近年來，隨著CMOS電路消噪技術的不斷發展，CMOS的成像質量已經可以與CCD相媲美。
⑤生產成本
CCD只有少數幾個廠商（例如索尼、松下等公司）掌握這種技術，其製造工藝複雜、功耗大、成本較高，所以採用CCD的感測器價格都會相對比較貴。然而經過不斷技術改造，目前市場上銷售的數碼攝像頭中都以CMOS感光器件為主。在採用CMOS為感光元器件的產品中，通過採用影像光源自動增益補強技術，自動亮度、色飽和度、對比度等先進的影像控制技術，完全可以達到與CCD攝像頭相媲美的效果，而且CMOS的製造成本和功耗都比CCD低得多。
⑥強光補償
CMOS與CCD最大的不同點是CMOS像素充電與儲存設計結構不同。CCD儲存輸出的偶合結構必需一個個像素以行列推送出去，而CMOS可以像記憶體記憶一樣隨機讀出任何一個像素，這是很大的優點。不過，CMOS付出的代價是占用部分充電感光面做輸送電路，因此降低了CMOS對光的敏感度。在四輪定位儀測量中，CMOS照相機可用超亮燈源或增加曝光時間來補償強光的影響。低感光度的CMOS能在太陽光下照常工作，而一般CCD四輪定位儀在強光下是無法進行測量的。
參考資料：慧聰：http://info.auto-m.hc360.com/2007/12/28085680850.shtml
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