现代检测技术-图像传感器课件.ppt

1、 图像传感器图像传感器v 图像传感器是在光电技术基础上发展起来的图像传感器是在光电技术基础上发展起来的将光学图像转将光学图像转换成电信号换成电信号的器件，分为真空管图像传感器和半导体图像的器件，分为真空管图像传感器和半导体图像传感器。传感器。v 固态图像传感器是高度集成的半导体光电器件，在一个器固态图像传感器是高度集成的半导体光电器件，在一个器件上可以完成光电信号的转换、传输和处理。件上可以完成光电信号的转换、传输和处理。v 固态图像传感器的核心是电荷转移器件，有五种类型：固态图像传感器的核心是电荷转移器件，有五种类型：电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）互补式金属互补式金属-氧化物氧化物-半

2、导体（半导体（CMOS）型）型 电荷注入器件（电荷注入器件（CID）电荷引发器件（电荷引发器件（CPD）叠层型成像器件叠层型成像器件 电荷耦合器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device，简称，简称CCD）是以阵列形式排列在衬底材料上的金属氧化物半导体是以阵列形式排列在衬底材料上的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，简称，简称MOS）电容器组成的，）电容器组成的，具有光生电荷、积蓄和转移的功能。具有光生电荷、积蓄和转移的功能。MOS 光敏单元光敏单元电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)光敏单元阵列光敏单元阵列 以以P型衬底型衬底MOS结构为例，如

3、果在结构为例，如果在金属电极金属电极栅极栅极上施加一足够上施加一足够大的正点压，半导体表面将处于深耗尽状态，在半导体表面形成电子大的正点压，半导体表面将处于深耗尽状态，在半导体表面形成电子势势阱阱。半导体表面相对于体内的电势差称为。半导体表面相对于体内的电势差称为势阱深度势阱深度。势阱可以存储少数。势阱可以存储少数载流子（在载流子（在P型衬底情况下少数载流子是电子），势阱越深存储电荷越型衬底情况下少数载流子是电子），势阱越深存储电荷越多。多。当光照射到硅片上时，在光子作用下产生当光照射到硅片上时，在光子作用下产生电子电子-空穴对空穴对，自由电子，自由电子会被势阱收集，电子数主要取决于光照强度和

4、收集（积分）时间的长短。会被势阱收集，电子数主要取决于光照强度和收集（积分）时间的长短。CCD以以电荷电荷作为信号的载体，而不是电压或电流。作为信号的载体，而不是电压或电流。CCD电荷的产生电荷的产生 为了将势阱中的电荷转为了将势阱中的电荷转移并输出，每个光敏单元对移并输出，每个光敏单元对应设置应设置3个相邻的电极（三个相邻的电极（三相）作为转移单元相）作为转移单元，电极上，电极上的脉冲电压相位依次相差的脉冲电压相位依次相差120，波形都是前缘陡峭，波形都是前缘陡峭后缘倾斜。后缘倾斜。*可以是二相、三相、四可以是二相、三相、四相等结构。相等结构。电荷转移电荷转移 132t1t5t4t3t2t6

5、t7CCD电荷的转移电荷的转移 132t1t5t4t3t2198765432 在在t1时刻时刻，电极，电极1、4、7下方出现势阱，并接收各自下方出现势阱，并接收各自对应光生电荷包，电荷的多对应光生电荷包，电荷的多少与光强有关。少与光强有关。在在t2时刻时刻，电压，电压1下降，下降，电压电压2最高，电极最高，电极2、5、8下方势阱最深，原来存储在下方势阱最深，原来存储在电极电极1、4、7下方的电荷将下方的电荷将在电场作用下转移到在电场作用下转移到2、5、8下方。下方。到到t3时刻时刻，电荷全部向，电荷全部向右转移的一步。依次类推，右转移的一步。依次类推，在在t5时刻，电荷将转移到电时刻，电荷将转

6、移到电极极3、6、9下方。下方。CCD电荷的转移电荷的转移 CCD电荷的转移电荷的转移 CCD结构结构 CCD结构主要功能模块：结构主要功能模块：p 光敏区（成像区、光电转换）光敏区（成像区、光电转换）p 转移栅（隔离，转移电荷）转移栅（隔离，转移电荷）p 电荷移位寄存器阵列（电荷移位输出）电荷移位寄存器阵列（电荷移位输出）p 电荷电荷/电压转换器和电压放大器（输出视频信号）电压转换器和电压放大器（输出视频信号）CCD图像传感器一般分为图像传感器一般分为线型线型和和面型面型。二者的原理类似，都是通。二者的原理类似，都是通过过光学成像系统光学成像系统将景物图像成在将景物图像成在CCD的的像敏面像

7、敏面上。上。CCD图像传感器分类图像传感器分类 线型线型CCD可以直接接收一维光信号，主要用于测试、传真和光学可以直接接收一维光信号，主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。文字识别技术等方面。CCD可以把光信号转换为电脉冲信号。每一个脉冲反应一个光敏元可以把光信号转换为电脉冲信号。每一个脉冲反应一个光敏元的受光情况，的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置序可以反映光敏元的位置，这就构成了图像传感器。，这就构成了图像传感器。光敏单元转移栅输出不透光最简单的线型最简单的线型CCD是是单通道单通道式的

8、，它包括式的，它包括感光区感光区（光积分单（光积分单元）和元）和传输区传输区两部分：感光区由一列光敏单元组成；传输区由转两部分：感光区由一列光敏单元组成；传输区由转移栅及一列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存储于感光区移栅及一列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存储于感光区的势阱中。在转移脉冲到来时，光敏阵列势阱中的电荷被并行转的势阱中。在转移脉冲到来时，光敏阵列势阱中的电荷被并行转移到移位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用下一位位的移出，形移到移位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用下一位位的移出，形成视频信号。传输区是遮光的，以防止因光生噪声电荷的干扰造成视频信号。传输区是遮光的，以防止因光生噪声

9、电荷的干扰造成图像模糊。成图像模糊。线型线型CCD工作原理工作原理 为了减少信号电荷在转移过程中的损失，通常采用为了减少信号电荷在转移过程中的损失，通常采用双双通道式结构通道式结构。双通道式。双通道式CCD有两列移位寄存器，平行的有两列移位寄存器，平行的分置在感光区两侧。同样感光区的双通道线型分置在感光区两侧。同样感光区的双通道线型CCD比单比单通道线型通道线型CCD的转移次数减少一半，降低了传输损耗，的转移次数减少一半，降低了传输损耗，同时也缩短了器件尺寸。同时也缩短了器件尺寸。光敏单元转移栅输出线型线型CCD工作原理工作原理 线型线型CCD工作原理工作原理 线扫相机线扫相机视觉检测平台视觉

10、检测平台 隔列转移结构隔列转移结构的像敏单元的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被呈二维排列，每列像敏单元被遮光的垂直移位寄存器隔开，遮光的垂直移位寄存器隔开，像敏单元与垂直移位寄存器之像敏单元与垂直移位寄存器之间又有转移控制栅。像敏单元间又有转移控制栅。像敏单元中的信号电荷在转移栅电压控中的信号电荷在转移栅电压控制下转移到垂直移位寄存器，制下转移到垂直移位寄存器，然后在读出脉冲作用下逐行转然后在读出脉冲作用下逐行转移到水平移位寄存器中，再由移到水平移位寄存器中，再由水平移位寄存器快速输出，得水平移位寄存器快速输出，得到视频信号。到视频信号。垂直移位寄存器水平移位寄存器输出光敏单元转移栅常见的结

11、构有常见的结构有隔列转移结构（行间传输）隔列转移结构（行间传输）和和帧转移结构帧转移结构（场传输）（场传输）。面型面型CCD工作原理工作原理 帧转移结构帧转移结构包括包括成像区成像区（光（光敏区）、敏区）、电荷移位寄存器电荷移位寄存器和和水水平移位寄存器平移位寄存器三部分。三部分。当光积分周期结束时，加在当光积分周期结束时，加在成像区和存储区电极上的时钟成像区和存储区电极上的时钟脉冲使所收集到的信号电荷迅脉冲使所收集到的信号电荷迅速转移到存储区中。然后逐行速转移到存储区中。然后逐行转移到读出寄存器并输出。转移到读出寄存器并输出。在第一帧读出的同时，成像在第一帧读出的同时，成像区开始收集第二帧信

12、号电荷。区开始收集第二帧信号电荷。一旦第一帧信号被全部读出，一旦第一帧信号被全部读出，马上传送第二帧信号，实现连马上传送第二帧信号，实现连续输出。续输出。面型面型CCD工作原理工作原理 彩色彩色CCD结构结构 CCD硅芯片不能区分不同光谱的颜色，为了区分硅芯片不能区分不同光谱的颜色，为了区分光谱的光谱的RGB三基色，常采用两种方式：三基色，常采用两种方式：1.三晶片结构三晶片结构：利用三棱镜组将利用三棱镜组将图像分为图像分为RGB三基色三基色图像，分别投影到三图像，分别投影到三片片CCD芯片上。芯片上。图片质量高；结图片质量高；结构复杂，价格昂贵构复杂，价格昂贵 彩色彩色CCD结构结构2.彩色

13、滤波阵列彩色滤波阵列Bayer滤波器模式滤波器模式 彩色滤波马赛彩色滤波马赛克；克；牺牲分辨率，牺牲分辨率，简化结构，降简化结构，降低价格；低价格；通过反马赛克通过反马赛克算法从算法从Bayer模式图像恢复模式图像恢复出出RGB模式模式图像。图像。彩色彩色CCD结构结构 基于基于USB2.0总线的高分辨数字图像传感器（总线的高分辨数字图像传感器（12801280*10241024）CCD的长宽比和尺寸的长宽比和尺寸 v CCD长宽比为长宽比为4：3，尺寸如图所示：，尺寸如图所示：CCD像元密度像元密度Z有效区内采样的点数：有效区内采样的点数：768*576,1024*768,2048*2048

14、等等 1.响应度（灵敏度）响应度（灵敏度）：光电转换效率，输出电信号与：光电转换效率，输出电信号与输入光信号能量之比；与入射光波长有关，因此分输入光信号能量之比；与入射光波长有关，因此分为为光谱响应度光谱响应度（对特定波长入射光）和（对特定波长入射光）和积分响应度积分响应度（对连续波长辐射光）；（对连续波长辐射光）；2.光谱特性光谱特性：响应度与入射光频率或波长的关系（光：响应度与入射光频率或波长的关系（光谱峰值）；谱峰值）；CCD硅晶片对硅晶片对400nm至至1060nm的光波都很敏感，的光波都很敏感，为使为使CCD和人眼对外界图像的感应尽可能一致，常和人眼对外界图像的感应尽可能一致，常在在

15、CCD前方加入红外滤波器（前方加入红外滤波器（Infra-Red Filter）。）。在机器视觉中，可将在机器视觉中，可将IR滤波器去掉，或加入特定光滤波器去掉，或加入特定光谱滤波器，制成红外光感应器。谱滤波器，制成红外光感应器。CCD的基本特性参数的基本特性参数 CCD的光谱特性的光谱特性 CCD的光谱特性的光谱特性 可见光与近红外混合成像，波长约为可见光与近红外混合成像，波长约为400-1200nm CCD的基本特性参数的基本特性参数3.暗电流暗电流：无光信号时的输出电流：无光信号时的输出电流图像噪声；图像噪声；4.分辨率分辨率：取决于光敏单元间距，常用光敏单元数表示，：取决于光敏单元间距

16、，常用光敏单元数表示，一般像元越多分辨率越高；实际分辨率还与一般像元越多分辨率越高；实际分辨率还与CCD光敏单光敏单元的中心间距、光学系统的放大率有关。元的中心间距、光学系统的放大率有关。CCD实际分辨率实际分辨率=光敏单元中心距光敏单元中心距/光学系统放大倍率光学系统放大倍率最大被测物尺寸最大被测物尺寸=最大成像尺寸最大成像尺寸/光学系统放大倍数光学系统放大倍数5.均匀性均匀性：光敏单元对光强度响应的一致性。：光敏单元对光强度响应的一致性。(1)非接触检测非接触检测;(2)响应快响应快;(3)可靠性高可靠性高,维修简便维修简便;(4)测量精度高测量精度高;(5)体积小体积小,重量轻重量轻;容

17、易与计算机连接；容易与计算机连接；(6)对被测物体需要强光照射对被测物体需要强光照射;(7)受被测物体以外的光的影响受被测物体以外的光的影响.CCD传感器的应用特点传感器的应用特点 CMOS图像传感器图像传感器 v CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）互补式金属互补式金属-氧化物氧化物-半导体半导体，NMOS和和PMOS串联；串联；是集成电路中广泛使用的一个基本单元，在动态存储器中广泛是集成电路中广泛使用的一个基本单元，在动态存储器中广泛使用，如计算机内存；使用，如计算机内存；出现于出现于20世纪世纪70年代初，早期年代初，早期CMOS图像

18、传感器图片质量差，图像传感器图片质量差，仅用于低端产品；仅用于低端产品；90年代后重新得到关注，年代后重新得到关注，低功耗、高集成度低功耗、高集成度；已广泛用于各种高、中、低端图像采集设备。已广泛用于各种高、中、低端图像采集设备。CCD和和CMOS的工作框图的工作框图 以电荷形式传输以电荷形式传输 以电压形式传输以电压形式传输 CCD和和CMOS的集成度的集成度 CMOS芯片除了具有芯片除了具有CCD芯片的功能单元，还包括芯片的功能单元，还包括了控制电路、了控制电路、A/D转换和视频信号处理电路，可以进行亮转换和视频信号处理电路，可以进行亮度、对比度、噪音抑制、边缘检测等复杂处理。度、对比度、噪音抑制、边缘检测等复杂处理。图像传感器的应用图像传感器的应用 图像传感器的应用图像传感器的应用 线阵CCD摄像机线阵CCD摄像机二值化图像二值化图像图像处理图像处理I I像素像素图像传感器的应用图像传感器的应用 零件二维尺寸检测零件二维尺寸检测 图像传感器的应用图像传感器的应用 图像传感器的应用图像传感器的应用