《图像传感器》PPT课件讲课稿.ppt
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1、学习目标学习目标掌握常见CCD和CMOS图像传感器的基本工作原理、主要参数及选型方法。了解图像传感器的一般应用,能进行简易图像检测系统的操作,如图像获取与显示、图像识别等。能够根据工作任务,检索文献、查找阅读资料(含英文资料)以获得有用的信息;能自主学习新知识、新技术,具有综合与创新能力。专业能力方法能力第七章第七章 图像传感器图像传感器 CMOS图像传感器2 实训课题 机器人智能视觉4 CCD图像传感器1 本章小结5 图像传感器的应用3图像传感器图像传感器 视觉获取的信息占人类所能获取的信息总量的80%以上,作为视觉系统的延伸,图像检测在工业、农业及日常生活发挥出越来越重要的作用。图像检测采
2、用图像传感器将被检测的目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号,图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,如面积、数量、位置、长度,再根据预设的允许度和其他条件输出结果,包括尺寸、角度、个数、合格/不合格、有/无等,实现自动识别功能。图像传感器图像传感器 图像检测系统按功能可划分为图像输入(图像检测)、图像处理及图像输出组成。7.1 CCD7.1 CCD图像传感器图像传感器 CCD图像传感器由电荷耦合器件(Charge Coupled Device)制成,因集成度高,功耗小、耐冲击、寿命长等特点,而被广泛应用于军事、天文、医疗、广
3、播、电视、传真、通信等领域。在硅衬底上生长一层很薄的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极,称为栅极。该栅极和硅衬垫就形成了规则的MOS电容器阵列,再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD电荷耦合器件芯片。CCDCCD器件器件CCD有线针型和面阵型两种。线阵型CCD常用于扫描仪、传真机等设备。CCD摄像机、照相机就是通过透镜把外界的景像投射到二维MOS电容器面阵上,产生MOS电容器面阵的光电转换和记忆。(b)面阵CCD(a)线阵CCD CCDCCD图像传感器工作原理图像传感器工作原理 一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工
4、作时,在设定的积分时间内,光敏元对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后,各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下,转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中,可对信号再现或进行存储处理。CCDCCD图像传感器工作原理图像传感器工作原理以简单三相CCD为例,在时刻t1,第一相时钟1处于高电压,2、3处于低电压,第一组电极1、4、7下面形成深势阱,在势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”,2、5、8,3、6、9未形成势阱。在t2时刻,1线性减少,2为高电压,3仍为低电压,
5、在第一组电极下的势阱变浅,而第二组(2、5、8)电极下形成深势阱,信息电荷从第一组电极下面向第二组转移。直到t3时刻,2为高电压,1、3为低电压,信息电荷全部转移到第二组电极下面。(a)驱动信号(b)电荷转移 CCDCCD图像传感器工作原理图像传感器工作原理上述CCD电荷转移过程也可用虹吸雨量收集作形象的类比。用雨滴表示光学图像中的光子,小盆表示传感器像元,盆深度表示像元容纳的电荷,虹吸泵表示CCD的移位寄存器,雨量筒表示CCD的输出放大器。a)接受雨水b)雨水逐行收集 c)收集完成等待下次收集 色彩信息的获取色彩信息的获取CCD 芯片按比例将一定数目的光子转换为一定数目的电子,但光子的波长,
6、也就是光线的颜色,却没有在这一过程中被转换为任何形式的电信号,因此 CCD 无法区分颜色的,即获取的是灰度图像。为获取彩色图像,一种方法是采用分光棱镜和3个CCD器件。棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基本色分开,使其分别投射在一个 CCD 上,每个 CCD 就只对一种基本色分量感光。实际应用中的效果非常好,但结构复杂,价格昂贵。3CCD彩色成像原理图 色彩信息的获取色彩信息的获取另一种方式是采用单一CCD器件,将马赛克滤光片(也称拜尔滤镜,Bayer filter)加装在CCD上。每四个像素形成一个单元,一个过滤红色、一个过滤蓝色,两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。每个像素都接收到感光信号,
7、但色彩分辨率不如感光分辨率。采用每四个感光单元为一组,分别获取G、B、R、G光度信号并合成为一个像素点色彩信息。单CCD彩色成像原理图 单CCD彩色图像传感器结构 CCDCCD图像传感器的基本参数图像传感器的基本参数1.光谱灵敏度 CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换能力。2.动态范围 表征同一幅图像中最强但未饱和的点与最弱点强度的比值。数字图像一般用DN表示。3.非均匀性 CCD芯片全部像素对同一波长、同一强度信号响应能力的不一致性。CCDCCD图像传感器的基本参数图像传感器的基本参数4.非线性度 CCD芯片对于同一波长的输
8、入信号,其输出信号强度与输入信号强度比例变化的不一致性。5.分辨率 包括灰度值分辨率和空间分辨率。灰度值分辨率是利用图像多级亮度来表示分辨率的方法,机器能分辨给定点的测量光强度,所需光强度越小则灰度值分辨率就越高,一般采用256级灰度值,它具有很强的精确区别目标特征的能力;空间分辨率是指CCD分辨精度的能力,通常用像素来表示,即规定覆盖原始图像的栅网的大小,栅网越细,网点和像素越高,说明CCD的分辨精度越高。7.2 CMOS7.2 CMOS图像传感器图像传感器 采用标准CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)制造工艺制造,
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