現(xiàn)代檢測技術-圖像傳感器課件

圖像傳感器圖像傳感器是在光電技術基礎上發(fā)展起來的將光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號的器件，分為真空管圖像傳感器和半導體圖像傳感器。固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導體光電器件，在一個器件上可以完成光電信號的轉(zhuǎn)換、傳輸和處理。固態(tài)圖像傳感器的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件，有五種類型：電荷耦合器件（CCD）互補式金屬-氧化物-半導體（CMOS）型電荷注入器件（CID）電荷引發(fā)器件（CPD）疊層型成像器件圖像傳感器圖像傳感器是在光電技術基礎上發(fā)展起來的將光學圖像

電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡稱CCD）是以陣列形式排列在襯底材料上的金屬－氧化物－半導體（MetalOxideSemiconductor，簡稱MOS）電容器組成的，具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移的功能。MOS光敏單元電荷耦合器件(CCD)

光敏單元陣列電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，

以P型襯底MOS結(jié)構為例，如果在金屬電極——柵極上施加一足夠大的正點壓，半導體表面將處于深耗盡狀態(tài)，在半導體表面形成電子勢阱。半導體表面相對于體內(nèi)的電勢差稱為勢阱深度。勢阱可以存儲少數(shù)載流子（在P型襯底情況下少數(shù)載流子是電子），勢阱越深存儲電荷越多。當光照射到硅片上時，在光子作用下產(chǎn)生電子-空穴對，自由電子會被勢阱收集，電子數(shù)主要取決于光照強度和收集（積分）時間的長短。CCD以電荷作為信號的載體，而不是電壓或電流。

CCD電荷的產(chǎn)生以P型襯底MOS結(jié)構為例，如果在金屬電極——柵極上施加一足

為了將勢阱中的電荷轉(zhuǎn)移并輸出，每個光敏單元對應設置3個相鄰的電極（三相）作為轉(zhuǎn)移單元，電極上的脈沖電壓相位依次相差120°，波形都是前緣陡峭后緣傾斜。

**可以是二相、三相、四相等結(jié)構。電荷轉(zhuǎn)移CCD電荷的轉(zhuǎn)移為了將勢阱中的電荷轉(zhuǎn)移并輸出，每個光敏單元

在t1時刻，電極1、4、7下方出現(xiàn)勢阱，并接收各自對應光生電荷包，電荷的多少與光強有關。

在t2時刻，電壓φ1下降，電壓φ2最高，電極2、5、8下方勢阱最深，原來存儲在電極1、4、7下方的電荷將在電場作用下轉(zhuǎn)移到2、5、8下方。

到t3時刻，電荷全部向右轉(zhuǎn)移的一步。依次類推，在t5時刻，電荷將轉(zhuǎn)移到電極3、6、9下方。CCD電荷的轉(zhuǎn)移在t1時刻，電極1、4、7下方出現(xiàn)勢阱，并

CCD電荷的轉(zhuǎn)移CCD電荷的轉(zhuǎn)移

CCD結(jié)構CCD結(jié)構主要功能模塊：光敏區(qū)（成像區(qū)、光電轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)移柵（隔離，轉(zhuǎn)移電荷）電荷移位寄存器陣列（電荷移位輸出）電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和電壓放大器（輸出視頻信號）CCD結(jié)構CCD結(jié)構主要功能模塊：

CCD圖像傳感器一般分為線型和面型。二者的原理類似，都是通過光學成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD的像敏面上。CCD圖像傳感器分類線型CCD可以直接接收一維光信號，主要用于測試、傳真和光學文字識別技術等方面。CCD可以把光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。每一個脈沖反應一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就構成了圖像傳感器。CCD圖像傳感器一般分為線型和面型。二者的原理類似，都是通

最簡單的線型CCD是單通道式的，它包括感光區(qū)（光積分單元）和傳輸區(qū)兩部分：感光區(qū)由一列光敏單元組成；傳輸區(qū)由轉(zhuǎn)移柵及一列移位寄存器組成。光照產(chǎn)生的信號電荷存儲于感光區(qū)的勢阱中。在轉(zhuǎn)移脈沖到來時，光敏陣列勢阱中的電荷被并行轉(zhuǎn)移到移位寄存器中，最后在時鐘脈沖的作用下一位位的移出，形成視頻信號。傳輸區(qū)是遮光的，以防止因光生噪聲電荷的干擾造成圖像模糊。線型CCD工作原理最簡單的線型CCD是單通道式的，它包括感光區(qū)（光積分單元）

為了減少信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中的損失，通常采用雙通道式結(jié)構。雙通道式CCD有兩列移位寄存器，平行的分置在感光區(qū)兩側(cè)。同樣感光區(qū)的雙通道線型CCD比單通道線型CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，降低了傳輸損耗，同時也縮短了器件尺寸。線型CCD工作原理為了減少信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中的損失，通常采

線型CCD工作原理線掃相機視覺檢測平臺線型CCD工作原理線掃相機

隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構的像敏單元呈二維排列，每列像敏單元被遮光的垂直移位寄存器隔開，像敏單元與垂直移位寄存器之間又有轉(zhuǎn)移控制柵。像敏單元中的信號電荷在轉(zhuǎn)移柵電壓控制下轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器，然后在讀出脈沖作用下逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中，再由水平移位寄存器快速輸出，得到視頻信號。常見的結(jié)構有隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構（行間傳輸）和幀轉(zhuǎn)移結(jié)構（場傳輸）。面型CCD工作原理隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構的像敏單元呈二維排列，每列像敏

幀轉(zhuǎn)移結(jié)構包括成像區(qū)（光敏區(qū)）、電荷移位寄存器和水平移位寄存器三部分。當光積分周期結(jié)束時，加在成像區(qū)和存儲區(qū)電極上的時鐘脈沖使所收集到的信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)中。然后逐行轉(zhuǎn)移到讀出寄存器并輸出。在第一幀讀出的同時，成像區(qū)開始收集第二幀信號電荷。一旦第一幀信號被全部讀出，馬上傳送第二幀信號，實現(xiàn)連續(xù)輸出。面型CCD工作原理幀轉(zhuǎn)移結(jié)構包括成像區(qū)（光敏區(qū)）、電荷移位寄存器和水平移位寄

彩色CCD結(jié)構CCD硅芯片不能區(qū)分不同光譜的顏色，為了區(qū)分光譜的RGB三基色，常采用兩種方式：1.三晶片結(jié)構：利用三棱鏡組將圖像分為RGB三基色圖像，分別投影到三片CCD芯片上。圖片質(zhì)量高；結(jié)構復雜，價格昂貴彩色CCD結(jié)構CCD硅芯片不能區(qū)分不同光譜的顏色，

彩色CCD結(jié)構2.彩色濾波陣列—Bayer濾波器模式彩色濾波馬賽克；犧牲分辨率，簡化結(jié)構，降低價格；通過反馬賽克算法從Bayer模式圖像恢復出RGB模式圖像。彩色CCD結(jié)構2.彩色濾波陣列—Bayer濾波器模式

彩色CCD結(jié)構基于USB2.0總線的高分辨數(shù)字圖像傳感器（1280*1024）

彩色CCD結(jié)構基于USB2.0總線的高分辨數(shù)字圖像傳感器

CCD的長寬比和尺寸CCD長寬比為4：3，尺寸如圖所示：CCD像元密度Z——有效區(qū)內(nèi)采樣的點數(shù)：768*576,1024*768,2048*2048等CCD的長寬比和尺寸CCD長寬比為4：3，尺寸如圖

1.響應度（靈敏度）：光電轉(zhuǎn)換效率，輸出電信號與輸入光信號能量之比；與入射光波長有關，因此分為光譜響應度（對特定波長入射光）和積分響應度（對連續(xù)波長輻射光）；2.光譜特性：響應度與入射光頻率或波長的關系（光譜峰值）；

CCD硅晶片對400nm至1060nm的光波都很敏感，為使CCD和人眼對外界圖像的感應盡可能一致，常在CCD前方加入紅外濾波器（Infra-RedFilter）。在機器視覺中，可將IR濾波器去掉，或加入特定光譜濾波器，制成紅外光感應器。CCD的基本特性參數(shù)1.響應度（靈敏度）：光電轉(zhuǎn)換效率，輸出電信號與輸入光信

CCD的光譜特性CCD的光譜特性

CCD的光譜特性可見光與近紅外混合成像，波長約為400-1200nmCCD的光譜特性可見光與近紅外混合成像，波長約為400

CCD的基本特性參數(shù)3.暗電流：無光信號時的輸出電流——圖像噪聲；4.分辨率：取決于光敏單元間距，常用光敏單元數(shù)表示，一般像元越多分辨率越高；實際分辨率還與CCD光敏單元的中心間距、光學系統(tǒng)的放大率有關。CCD實際分辨率=光敏單元中心距/光學系統(tǒng)放大倍率最大被測物尺寸=最大成像尺寸/光學系統(tǒng)放大倍數(shù)5.均勻性：光敏單元對光強度響應的一致性。CCD的基本特性參數(shù)3.暗電流：無光信號時的輸出電流——

非接觸檢測;響應快;可靠性高,維修簡便;測量精度高;體積小,重量輕;容易與計算機連接；對被測物體需要強光照射;受被測物體以外的光的影響.CCD傳感器的應用特點非接觸檢測;CCD傳感器的應用特點

CMOS圖像傳感器

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）互補式金屬-氧化物-半導體，NMOS和PMOS串聯(lián)；是集成電路中廣泛使用的一個基本單元，在動態(tài)存儲器中廣泛使用，如計算機內(nèi)存；出現(xiàn)于20世紀70年代初，早期CMOS圖像傳感器圖片質(zhì)量差，僅用于低端產(chǎn)品；90年代后重新得到關注，低功耗、高集成度；已廣泛用于各種高、中、低端圖像采集設備。CMOS圖像傳感器CMOS（Complementar

CCD和CMOS的工作框圖以電荷形式傳輸以電壓形式傳輸CCD和CMOS的工作框圖以電荷形式傳輸以電壓形

CCD和CMOS的集成度CMOS芯片除了具有CCD芯片的功能單元，還包括了控制電路、A/D轉(zhuǎn)換和視頻信號處理電路，可以進行亮度、對比度、噪音抑制、邊緣檢測等復雜處理。CCD和CMOS的集成度CMOS芯片除了具有CCD芯片圖像傳感器的應用

圖像傳感器的應用

圖像傳感器的應用圖像傳感器的應用

圖像傳感器的應用零件二維尺寸檢測圖像傳感器的應用零件二維尺寸檢測

圖像傳感器的應用圖像傳感器的應用

圖像傳感器的應用圖像傳感器的應用

圖像傳感器圖像傳感器是在光電技術基礎上發(fā)展起來的將光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號的器件，分為真空管圖像傳感器和半導體圖像傳感器。固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導體光電器件，在一個器件上可以完成光電信號的轉(zhuǎn)換、傳輸和處理。固態(tài)圖像傳感器的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件，有五種類型：電荷耦合器件（CCD）互補式金屬-氧化物-半導體（CMOS）型電荷注入器件（CID）電荷引發(fā)器件（CPD）疊層型成像器件圖像傳感器圖像傳感器是在光電技術基礎上發(fā)展起來的將光學圖像

電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡稱CCD）是以陣列形式排列在襯底材料上的金屬－氧化物－半導體（MetalOxideSemiconductor，簡稱MOS）電容器組成的，具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移的功能。MOS光敏單元電荷耦合器件(CCD)

光敏單元陣列電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，

以P型襯底MOS結(jié)構為例，如果在金屬電極——柵極上施加一足夠大的正點壓，半導體表面將處于深耗盡狀態(tài)，在半導體表面形成電子勢阱。半導體表面相對于體內(nèi)的電勢差稱為勢阱深度。勢阱可以存儲少數(shù)載流子（在P型襯底情況下少數(shù)載流子是電子），勢阱越深存儲電荷越多。當光照射到硅片上時，在光子作用下產(chǎn)生電子-空穴對，自由電子會被勢阱收集，電子數(shù)主要取決于光照強度和收集（積分）時間的長短。CCD以電荷作為信號的載體，而不是電壓或電流。

CCD電荷的產(chǎn)生以P型襯底MOS結(jié)構為例，如果在金屬電極——柵極上施加一足

為了將勢阱中的電荷轉(zhuǎn)移并輸出，每個光敏單元對應設置3個相鄰的電極（三相）作為轉(zhuǎn)移單元，電極上的脈沖電壓相位依次相差120°，波形都是前緣陡峭后緣傾斜。

**可以是二相、三相、四相等結(jié)構。電荷轉(zhuǎn)移CCD電荷的轉(zhuǎn)移為了將勢阱中的電荷轉(zhuǎn)移并輸出，每個光敏單元

在t1時刻，電極1、4、7下方出現(xiàn)勢阱，并接收各自對應光生電荷包，電荷的多少與光強有關。

在t2時刻，電壓φ1下降，電壓φ2最高，電極2、5、8下方勢阱最深，原來存儲在電極1、4、7下方的電荷將在電場作用下轉(zhuǎn)移到2、5、8下方。

到t3時刻，電荷全部向右轉(zhuǎn)移的一步。依次類推，在t5時刻，電荷將轉(zhuǎn)移到電極3、6、9下方。CCD電荷的轉(zhuǎn)移在t1時刻，電極1、4、7下方出現(xiàn)勢阱，并

CCD電荷的轉(zhuǎn)移CCD電荷的轉(zhuǎn)移

CCD結(jié)構CCD結(jié)構主要功能模塊：光敏區(qū)（成像區(qū)、光電轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)移柵（隔離，轉(zhuǎn)移電荷）電荷移位寄存器陣列（電荷移位輸出）電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和電壓放大器（輸出視頻信號）CCD結(jié)構CCD結(jié)構主要功能模塊：

CCD圖像傳感器一般分為線型和面型。二者的原理類似，都是通過光學成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD的像敏面上。CCD圖像傳感器分類線型CCD可以直接接收一維光信號，主要用于測試、傳真和光學文字識別技術等方面。CCD可以把光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。每一個脈沖反應一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就構成了圖像傳感器。CCD圖像傳感器一般分為線型和面型。二者的原理類似，都是通

最簡單的線型CCD是單通道式的，它包括感光區(qū)（光積分單元）和傳輸區(qū)兩部分：感光區(qū)由一列光敏單元組成；傳輸區(qū)由轉(zhuǎn)移柵及一列移位寄存器組成。光照產(chǎn)生的信號電荷存儲于感光區(qū)的勢阱中。在轉(zhuǎn)移脈沖到來時，光敏陣列勢阱中的電荷被并行轉(zhuǎn)移到移位寄存器中，最后在時鐘脈沖的作用下一位位的移出，形成視頻信號。傳輸區(qū)是遮光的，以防止因光生噪聲電荷的干擾造成圖像模糊。線型CCD工作原理最簡單的線型CCD是單通道式的，它包括感光區(qū)（光積分單元）

為了減少信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中的損失，通常采用雙通道式結(jié)構。雙通道式CCD有兩列移位寄存器，平行的分置在感光區(qū)兩側(cè)。同樣感光區(qū)的雙通道線型CCD比單通道線型CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，降低了傳輸損耗，同時也縮短了器件尺寸。線型CCD工作原理為了減少信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中的損失，通常采

線型CCD工作原理線掃相機視覺檢測平臺線型CCD工作原理線掃相機

隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構的像敏單元呈二維排列，每列像敏單元被遮光的垂直移位寄存器隔開，像敏單元與垂直移位寄存器之間又有轉(zhuǎn)移控制柵。像敏單元中的信號電荷在轉(zhuǎn)移柵電壓控制下轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器，然后在讀出脈沖作用下逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中，再由水平移位寄存器快速輸出，得到視頻信號。常見的結(jié)構有隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構（行間傳輸）和幀轉(zhuǎn)移結(jié)構（場傳輸）。面型CCD工作原理隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構的像敏單元呈二維排列，每列像敏

幀轉(zhuǎn)移結(jié)構包括成像區(qū)（光敏區(qū)）、電荷移位寄存器和水平移位寄存器三部分。當光積分周期結(jié)束時，加在成像區(qū)和存儲區(qū)電極上的時鐘脈沖使所收集到的信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)中。然后逐行轉(zhuǎn)移到讀出寄存器并輸出。在第一幀讀出的同時，成像區(qū)開始收集第二幀信號電荷。一旦第一幀信號被全部讀出，馬上傳送第二幀信號，實現(xiàn)連續(xù)輸出。面型CCD工作原理幀轉(zhuǎn)移結(jié)構包括成像區(qū)（光敏區(qū)）、電荷移位寄存器和水平移位寄

彩色CCD結(jié)構CCD硅芯片不能區(qū)分不同光譜的顏色，為了區(qū)分光譜的RGB三基色，常采用兩種方式：1.三晶片結(jié)構：利用三棱鏡組將圖像分為RGB三基色圖像，分別投影到三片CCD芯片上。圖片質(zhì)量高；結(jié)構復雜，價格昂貴彩色CCD結(jié)構CCD硅芯片不能區(qū)分不同光譜的顏色，

彩色CCD結(jié)構2.彩色濾波陣列—Bayer濾波器模式彩色濾波馬賽克；犧牲分辨率，簡化結(jié)構，降低價格；通過反馬賽克算法從Bayer模式圖像恢復出RGB模式圖像。彩色CCD結(jié)構2.彩色濾波陣列—Bayer濾波器模式

彩色CCD結(jié)構基于USB2.0總線的高分辨數(shù)字圖像傳感器（1280*1024）

彩色CCD結(jié)構基于USB2.0總線的高分辨數(shù)字圖像傳感器

CCD的長寬比和尺寸CCD長寬比為4：3，尺寸如圖所示：CCD像元密度Z——有效區(qū)內(nèi)采樣的點數(shù)：768*576,1024*768,2048*2048等CCD的長寬比和尺寸CCD長寬比為4：3，尺寸如圖

1.響應度（靈敏度）：光電轉(zhuǎn)換效率，輸出電信號與輸入光信號能量之比；與入射光波長有關，因此分為光譜響應度（對特定波長入射光）和積分響應度（對連續(xù)波長輻射光）；2.光譜特性：響應度與入射光頻率或波長的關系（光譜峰值）；

CCD硅晶片對400nm至1060nm的光波都很敏感，為使CCD和人眼對外界圖像的感應盡可能一致，常在CCD前方加入紅外濾波器（Infra-RedFilter）。在機器視覺中，可將IR濾波器去掉，或加入特定光譜濾波器，制成紅外光感應器。CCD的基本特性參數(shù)1.響應度（靈敏度）：光電轉(zhuǎn)換效率，輸出電信號與輸入光信

CCD的光譜特性CCD的光譜特性

CCD的光譜特性可見光與近紅外混合成像，波長約為400-1200nmCCD的光譜特性可見光與近紅外混合成像，波長約為400

CCD的基本特性參數(shù)3.暗電流：無光信號時的輸出電流——圖像噪聲；4.分辨率：取決于光敏單元間距，常用光敏單元數(shù)表示，一般像元越多分辨率越高；實際分辨率還與CCD光敏單元的中心間距、光學系統(tǒng)的放大率有關。CCD實際分辨率=光敏單元中心距/光學系統(tǒng)放大倍