《圖像傳感器》PPT課件講課稿

1、圖像傳感器PPT課件學(xué)習(xí)目標掌握常見CCD和CMOS圖像傳感器的基本工作原理、主要參數(shù)及選型方法。了解圖像傳感器的一般應(yīng)用，能進行簡易圖像檢測系統(tǒng)的操作，如圖像獲取與顯示、圖像識別等。能夠根據(jù)工作任務(wù)，檢索文獻、查找閱讀資料（含英文資料）以獲得有用的信息； 能自主學(xué)習(xí)新知識、新技術(shù)，具有綜合與創(chuàng)新能力 。專業(yè)能力方法能力第七章 圖像傳感器 CMOS圖像傳感器2 實訓(xùn)課題 機器人智能視覺4 CCD圖像傳感器1 本章小結(jié)5 圖像傳感器的應(yīng)用3圖像傳感器 視覺獲取的信息占人類所能獲取的信息總量的80%以上，作為視覺系統(tǒng)的延伸，圖像檢測在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活發(fā)揮出越來越重要的作用。 圖像檢測采用圖像傳

2、感器將被檢測的目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如面積、數(shù)量、位置、長度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個數(shù)、合格/不合格、有/無等，實現(xiàn)自動識別功能。圖像傳感器 圖像檢測系統(tǒng)按功能可劃分為圖像輸入（圖像檢測）、圖像處理及圖像輸出組成。 7.1 CCD圖像傳感器 CCD圖像傳感器由電荷耦合器件（Charge Coupled Device）制成，因集成度高，功耗小、耐沖擊、壽命長等特點，而被廣泛應(yīng)用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真、通信等領(lǐng)域。 在硅襯底上

3、生長一層很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。該柵極和硅襯墊就形成了規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD電荷耦合器件芯片。 CCD器件CCD有線針型和面陣型兩種。線陣型CCD常用于掃描儀、傳真機等設(shè)備。CCD攝像機、照相機就是通過透鏡把外界的景像投射到二維MOS電容器面陣上，產(chǎn)生MOS電容器面陣的光電轉(zhuǎn)換和記憶。 （b）面陣CCD （a）線陣CCD CCD圖像傳感器工作原理 一個完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。 CCD工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)，光敏元對光信號進行取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換

4、為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。 移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處理設(shè)備中，可對信號再現(xiàn)或進行存儲處理。 CCD圖像傳感器工作原理以簡單三相CCD為例，在時刻t1，第一相時鐘1處于高電壓，2、3處于低電壓，第一組電極1、4、7下面形成深勢阱，在勢阱中可以貯存信號電荷形成“電荷包”, 2、5、8，3、6、9未形成勢阱 。 在t2時刻，1線性減少，2為高電壓，3仍為低電壓，在第一組電極下的勢阱變淺，而第二組(2、5、8)電極下形成深勢阱，信息電荷從第

5、一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移。直到t3時刻，2為高電壓，1、3為低電壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電極下面。 （a） 驅(qū)動信號 （b）電荷轉(zhuǎn)移 CCD圖像傳感器工作原理上述CCD電荷轉(zhuǎn)移過程也可用虹吸雨量收集作形象的類比。用雨滴表示光學(xué)圖像中的光子，小盆表示傳感器像元，盆深度表示像元容納的電荷，虹吸泵表示CCD的移位寄存器，雨量筒表示CCD的輸出放大器 。 a） 接受雨水b）雨水逐行收集 c) 收集完成等待下次收集 色彩信息的獲取CCD 芯片按比例將一定數(shù)目的光子轉(zhuǎn)換為一定數(shù)目的電子，但光子的波長，也就是光線的顏色，卻沒有在這一過程中被轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號，因此 CCD 無法區(qū)分顏色的，即獲取的是

6、灰度圖像。 為獲取彩色圖像，一種方法是采用分光棱鏡和3個CCD器件。棱鏡將光線中的紅、綠、藍三個基本色分開，使其分別投射在一個 CCD 上，每個 CCD 就只對一種基本色分量感光。實際應(yīng)用中的效果非常好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。 3CCD彩色成像原理圖 色彩信息的獲取另一種方式是采用單一CCD器件，將馬賽克濾光片（也稱拜爾濾鏡，Bayer filter）加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元，一個過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色（因為人眼對綠色比較敏感）。每個像素都接收到感光信號，但色彩分辨率不如感光分辨率。采用每四個感光單元為一組，分別獲取G、B、R、G光度信號并合成為一個像素點色彩信息

7、。 單CCD彩色成像原理圖 單CCD彩色圖像傳感器結(jié)構(gòu) CCD圖像傳感器的基本參數(shù)1. 光譜靈敏度 CCD的光譜靈敏度取決于量子效率、波長、積分時間等參數(shù)。量子效率表征CCD芯片對不同波長光信號的光電轉(zhuǎn)換能力。2. 動態(tài)范圍 表征同一幅圖像中最強但未飽和的點與最弱點強度的比值。數(shù)字圖像一般用DN表示。 3. 非均勻性 CCD芯片全部像素對同一波長、同一強度信號響應(yīng)能力的不一致性。CCD圖像傳感器的基本參數(shù)4. 非線性度 CCD芯片對于同一波長的輸入信號，其輸出信號強度與輸入信號強度比例變化的不一致性。5. 分辨率 包括灰度值分辨率和空間分辨率。 灰度值分辨率是利用圖像多級亮度來表示分辨率的方法

8、，機器能分辨給定點的測量光強度，所需光強度越小則灰度值分辨率就越高，一般采用256級灰度值，它具有很強的精確區(qū)別目標特征的能力； 空間分辨率是指CCD分辨精度的能力，通常用像素來表示，即規(guī)定覆蓋原始圖像的柵網(wǎng)的大小，柵網(wǎng)越細，網(wǎng)點和像素越高，說明CCD的分辨精度越高。 7.2 CMOS圖像傳感器 采用標準CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）制造工藝制造，優(yōu)點是功耗小，成本低，速度快 ；缺點：分辨率低，動態(tài)范圍小，光照靈敏度弱，圖像質(zhì)量差 。 類別CMOS圖像傳感器CCD圖像傳感器靈敏度高高信噪比良優(yōu)動態(tài)范圍小大最大幀頻

9、1000fps（幀/秒）30fps（幀/秒）集成度高低加工工藝通用工藝特殊工藝電路結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜模塊體積小大可靠性高低成本低高CMOS圖像傳感器的組成 CMOS 圖像傳感器一般由光敏單元陣列（像元陣列）、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路，片上模擬信號處理器構(gòu)成。更高級的CMOS 圖像傳感器還集成有片上A/D轉(zhuǎn)換器，將光敏感光單元（光電二極管）陣列、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器行陣列驅(qū)動器、列時序控制邏輯單元、數(shù)據(jù)總線輸出接口以及控制接口等部分采用傳統(tǒng)的芯片工藝方法集成在一塊硅片板上。 a) 常用CMOS圖像傳感器組成 b) 帶A/D的CMOS圖像傳感器組成 CMOS圖像傳感器的像

10、元結(jié)構(gòu) CMOS圖像傳感器的每一個基本感光單元也稱為像素單元（簡稱為像素或像元），主要是以MOS電容和P-N結(jié)光敏二極管組成，采用陣列式結(jié)構(gòu)，有線型和面型之分。 CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)目前主要有無源像素圖像傳感器和有源像素圖像傳感器兩種 。 無源像素圖像傳感器信噪比低、成像質(zhì)量差，所以目前絕大多數(shù)CMOS圖像傳感器采用的是有源像素圖像傳感器結(jié)構(gòu)。 無源型像素單元 CMOS圖像傳感器的像元結(jié)構(gòu) 光敏二極管型有源像素單元 光柵型有源像素單元 對數(shù)有源像素單元 CMOS圖像傳感器的工作原理 電荷存儲和傳輸?shù)墓ぷ骰驹硎牵合葘⒐饷舳O管的PN結(jié)反向偏置到某一固定電壓，然后斷開，存儲在光敏二極管電

11、容上的電荷的衰減速度與入射光照度成比例。經(jīng)過一定的積分時間后，讀出二極管兩端的電壓。讀出結(jié)束后，再通過開關(guān)使二極管兩端的恢復(fù)到原來的電壓。 1. 首先進入“復(fù)位狀態(tài)”。這時打開行選通場效應(yīng)管M，電源向電容C充電至固定電壓Ur，光敏二極管D處于反向狀態(tài)； 2. 然后進入“取樣狀態(tài)”。這時關(guān)閉場效應(yīng)管M，在光照下二極管產(chǎn)生光電流，使電容上存貯的電荷放電，經(jīng)過一個固定時間間隔后，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中； 3. 最后進入“讀出狀態(tài)”。再打開場效應(yīng)管M，逐個讀取各像素中電容C上存貯的電荷電壓。 CMOS圖像傳感器的工作流程CMOS圖像傳感器的應(yīng)用攝

12、像頭7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 光路圖 結(jié)構(gòu) 掃描儀 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 數(shù)碼攝像機 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 數(shù)碼相機結(jié)構(gòu)示意圖 CMOS數(shù)碼相機圖像工作原理 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 CMOS數(shù)碼相機圖像工作原理 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 工件尺寸測量 根據(jù)工件成像輪廓覆蓋的光敏單元數(shù)量來計算工件尺寸數(shù)據(jù)。例如，在光學(xué)系統(tǒng)放大率為1：M的裝置中，有 L=（Nd2d）M式中 L工件尺寸；N覆蓋的光敏單元數(shù)；d 相鄰光敏單元中心距離。7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 生產(chǎn)線工件質(zhì)量檢測 廢料收集桶傳輸鏈控制柜冷卻臺CCD檢測系統(tǒng)機器人壓鑄機安全門工作區(qū)域圍擋7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 鈔票檢查系統(tǒng)

13、7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 防盜檢測7.3 圖像傳感器的應(yīng)用字符識別 牌照識別7.3 圖像傳感器的應(yīng)用工業(yè)機器人焊錫系統(tǒng) 通過人工將散熱片、IGBT、PCB板固定到基板的過程存在不確定性因素，將會造成IGBT的待焊接管腳的空間位置不固定。為保證焊接質(zhì)量，須配置視覺系統(tǒng)。 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用工業(yè)機器人焊錫系統(tǒng)組成圖 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用機器人視覺控制系統(tǒng)原理圖 7.4 實訓(xùn)課題 機器人智能視覺 機器人智能視覺系統(tǒng)是由視覺控制器、及監(jiān)視顯示器等組成。CCD圖像傳感器用于識別工件的特性，如數(shù)字、顏色、形狀、姿態(tài)方位等，提供機器人所需的裝配信息，比如讓機器人按工件序號、顏色將工件放置到相應(yīng)工/

14、庫位，對工件放置的姿態(tài)方位進行調(diào)整等。 視覺控制器 CCD圖像傳感器 7.4 實訓(xùn)課題 機器人智能視覺 CCD圖像傳感器機器人本體工件組裝單元顯示器視覺控制器機器人智能視覺系統(tǒng) 實訓(xùn)操作 打開電源，啟動視覺控制器，系統(tǒng)啟動后自動運行智能視覺軟件并進入軟件主畫面 。dfecbaa-菜單欄 b-測量信息顯示區(qū)域 c-工具欄d-圖像顯示區(qū)域 e-控制區(qū)域 f-測量管理欄主畫面實訓(xùn)操作 單擊“場景切換”，在對話框中選擇一個場景，然后確定，新建一個場景。 場景切換 實訓(xùn)操作 在主界面單擊“流程編輯”，進入流程編輯界面，進行流程編輯。 流程編輯 實訓(xùn)操作 單擊“分類”圖標，進入設(shè)置界面在“分類”界面先設(shè)置“模型參數(shù)”，在初始狀態(tài)下設(shè)定，選擇“旋轉(zhuǎn)”，還要設(shè)定旋轉(zhuǎn)范圍、跳躍角度、穩(wěn)定度和精度等。 模型登錄參數(shù)設(shè)置 實訓(xùn)操作 進入“模型登錄”界面，單擊左邊圖形圖標，在右邊顯示界面會出現(xiàn)一個圓圈，移動圓圈把數(shù)字圈在中間，設(shè)置測量區(qū)域，單擊“確定”就可以一個工件的登錄工作，并回到分類界面。 模型登錄界面 實訓(xùn)操作 完成一個模型登錄實訓(xùn)操作 回到主界面，取已建立模型庫的任一顏色的工件，鏡頭對準工件，單