ccd圖像傳感器基礎知識.ppt

1、圖像傳感器,- Charged Coupled Device (電荷藕合器件圖像傳感器),CCD傳感器概論,電子耦合組件即charged coupled device，它就像傳統(tǒng)相機的底片一樣的感光系統(tǒng)，是感應光線的電路裝置，你可以將它想象成一顆顆微小的感應粒子，鋪滿在光學鏡頭后方，當光線與圖像從鏡頭透過、投射到ccd表面時，ccd就會產生電流，將感應到的內容轉換成數碼資料儲存在相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡內。ccd像素數目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會越清晰。,CCD圖像傳感器的組成,第一層，微鏡頭； 第二層，濾色片； 第三層，感光元件. CCD圖像傳感器的每一個感光元件由一個

2、光電二極管和控制相鄰電荷的存儲單元組成光電管當然是捕捉光子用的，它將光子轉化成電子，收集到的光線越強產生的電子數量就越多，電子信號強了當然就越容易被記錄而越不容易丟失，圖像細節(jié)就更豐富了。,CCD傳感器是一種特殊的半導體材料，由大量獨立的感光二極管組成，一般按照矩陣形式排列，相當于傳統(tǒng)相機的膠卷。,目前，CCD的種類有很多，其中面陣型CCD是主要應用在數碼相機中。它是由許多單個感光二極管組成的陣列，整體呈正方形，然后像砌磚一樣將這些感光二極管砌成陣列來組成可以輸出一定解析度圖像的CCD傳感器。,CCD傳感器的成像原理是使用感光二極管將光線轉換為電荷，當拍攝者對焦完畢按下快門的時候，光線通過打開

3、的快門（目前消費級數碼相機基本都是采用電子快門）透過馬賽克色塊射入在CCD圖像傳感器上，感光二極管在接受光子的撞擊后釋放電子，所產生電子的數目與該感光二極管感應到的光成正比。,當本次曝光結束之后，每個感光二極管上含有不同數量的電子，而我們在顯示器上面看到的數碼圖像就是通過電子數量的多與少來進行表示和儲存，然后控制電路從CCD中讀取圖像，進行紅R、綠G和藍B三原色合成，并且放大和將其數字化，這些數字信號被存入數碼相機的緩存內，最后寫入相機的移動存儲介質完成數碼相片的拍攝 。,CCD傳感器有兩種,第一、特殊CCD傳感器，如紅外CCD芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照式和電子轟擊式CCD、EB

4、CCD等，另外還有大靶面如20482048、40964096可見光CCD傳感器、寬光譜范圍（紫外光可見光近紅外光3-5m中紅外光8-14um遠紅外光)焦平面陣列傳感器等。目前已有商業(yè)化產品,并廣泛應用于各個領域。 第二、通用型或消費型CCD傳感器在許多方面都有較大地進展，總的方向是提高CCD攝像機的綜合性能。,CCD傳感器技術 發(fā)展的五個趨勢,CCD傳感器的像面尺寸向集成化各輕量化方向的發(fā)展: 由于制造CCD傳感器的硅片和加工成本都很高，所以很希望一片6.5英寸的硅片上光刻出更多的CCD傳感器芯片；以由于光刻機的進步，所以在仍保持具有很高靈敏度的特性下，CCD傳感器的尺寸向1/2英寸、1/3英

5、寸、1/4英寸、1/5英寸的方向發(fā)展在1993年，1/2英寸的CCD傳感器占總產量的5%;1/4英寸的CCD傳感器占總產量的10%;1/3英寸的CCD傳感器占總產量的85%。,在1997年，在總產量比1993年增200%以上的情況下，1/2英寸的CCD傳感器仍有很大發(fā)展，已占總產量的15%（1/2英寸由于靶面較大仍有許多場合需要，尤其在科研領域中如MTV1881EX、MTV-2821CB攝像機）；1/4英寸的CD傳感占總產量的60%。也就是說，1/2英寸較大靶面尺寸CCD傳感器仍有很大增長。,CCD傳感器向高素數、多制式發(fā)展 各種CCD傳感器的像面尺寸在減少，但其像素數在增加，已由早期的512

6、（H）596(V)向795（H）596（V）發(fā)展,甚至出現超過百萬像素的CCD傳感器。為提高水平方向和垂直方向的分辨能力，已從通常的隔行掃描向逐行掃描格式發(fā)展。,降低CCD傳感器的工作電壓、減少功耗 在初期研制的CCD攝像機有+24V、+22V、+17V和+5V等，目前通用的為+12V。為配合PC攝像機和網絡圖像傳輸的應用，逐步以+12V和+5V兩種工作電壓為主。,提高CCD攝像機的制造效率 為了降低CCD攝像機的制造成本，實現高速自動化生產，制造廠家追求緊密性結構，致力于CCD攝像機的小型化，即由Dip On Board（DOB）過錫板工藝改進為Chip On Board（COB）板上連接I

7、C芯片的貼片方式。到目前為止，已實現多層板的Multi Chip Module（MCM）多芯片集成模組化制造技術。,CCD攝像機的數字化 在制造CCD攝像機時，從以往的Analog模擬系統(tǒng)逐步實現DSP數位化處理，可以借助電子計算機和專門軟件系統(tǒng)實現對CCD攝像機，特別是對彩色CCD攝像機的各種參數的量化調整，可以確保CCD攝像機性能指標的優(yōu)化一致性以及在特殊使用條件下的參數量化修改。,傳感器有以下優(yōu)點：,1.高解析度（High Resolution）：像點的大小為m級，可感測及識別精細物體，提高影像品質。從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素數目從初期的10多萬增

8、加到現在的400500萬像素； 2.低雜訊（Low Noise）高敏感度：具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比（SNR），同時又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測到，其訊號不會被掩蓋，使的應用較不受天候拘束；,3.動態(tài)范圍廣（High Dynamic Range）：同時偵測及分辦強光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現象。 4.良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強度和輸出訊號大小成良好的正比關系，物體資訊不致損失，降低信號補償處理成本；高光子轉換效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若

9、配合影像增強管及投光器，即使在暗夜遠處的景物仍然還可以偵測得到；,5.大面積感光（Large Field of View）：利用半導體技術已可制造大面積的D晶片，目前與傳統(tǒng)底片尺寸相當的35mm的已經開始應用在數碼相機中，成為取代專業(yè)有利光學相機的關鍵元件；光譜響應廣（Broad Spectral Response）：能檢測很寬波長范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴大系統(tǒng)應用領域；,6.低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感測器，其影像處理不會有失真的情形，使原物體資訊忠實地反應出 7.體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容易地裝置在人造衛(wèi)星及各式

10、導航系統(tǒng)上；,8.低秏電力，不受強電磁場影響； 9.電荷傳輸效率佳：該效率系數影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊； 10.可大批量生產，品質穩(wěn)定，堅固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。,CCD傳感器的應用,高速線陣CCD IL-P1-4096,主要特點 高速線陣CCD IL-P1-4096是加拿DALSA公司生產的IL-P1系列圖像傳感器中的一種。該器件的像素尺寸是10mm、像素線陣長度為41mm、相鄰像素間距也是10m。線陣列的像素共有4096個，分兩路輸出。,IL-P1-4096的主要性能參數如下：,雙相輸出，每相輸出數據頻率為25MHz； 線掃描速率為87kHz； 可使

11、用低壓時序信號，時序信號電壓小于5V； 像素尺寸為10m10m； 每行4096個像素點； 動態(tài)響應范圍大于3200：1； 靈敏度高，響應可達到12V（uJ/cm2）; 采用15V電壓供電； 每行孤立像素為14個； 每行屏蔽像素為32個。,IL-P1-4096 原理及組成,原理 根據傳感器光敏單元（像素）上的感光變化，將對象圖像的感光變化轉化為電荷包。電荷包中電子的個數是由感光強度和CCD器件的光積分時間決定的。電荷包被收集到獨立的存儲井中，然后用像素復位時鐘來控制CCD器件的積分和曝光時間。,組成,IL-PI系列傳感器內部由三大主要功能塊組成：光電二極管、 CCD讀出移位寄存器和輸出放大器。其

12、中光電二極管用來生成信號電荷包，輸出放大器用來將電荷轉化為電壓脈沖。 需要注意的是，IL -P1-4096傳感器是兩路輸出，奇像素和偶像素分別從不同的輸出通道輸出，是一種雙排的線列陣CCD，光敏單元在中間，奇、偶單元的信號電荷分別傳到上下兩列移位寄存器后分兩路串行輸出。這種CCD的優(yōu)點是具有較高的封裝密度，轉移次數減少一半，因而可提高轉移效率，改善圖像傳感器的信號質量。,IL-PI4096具體應用,IL-P1-4096的精度高、感光響應快，在工業(yè)控制和測量領域（如流水線產品檢測、分類，文字與圖像的識別，機械產品尺寸非接觸測量等），該器件具有很強的實用性。 IL-PI4096的工作頻率要求很高、

13、相位關系復雜，使用高速CPLD作為CCD的基本時序發(fā)生器。推薦設計時可使用Lattic公司的 ispMACH4000C/B/V系列芯片，該芯片的工作時鐘可以達到400MHz，完全可以滿足此CCD的工作時序要求。,如圖所示是IL-P1-4096的具體應用電路。從CPLD發(fā)送過來的基本時時鐘信號可通過簡單電路進行相位校正并提供驅動電流，然后再送入CCD芯片。在Osn的輸出端。電路可通過幾個三極管組成的恒流源來提供CCD所需要的8mA驅動電流。 CPLD和IL-P1-4096要盡可能靠近，直流電源的紋波最好不要超過10mV。選用比較低的頻率來控制IL-P1-4096的工作，然后漸升高工作頻率。,LK

14、-G系列CCD激光位移傳感器,產品特性 全新開發(fā)的Li-CCD （直線性CCD）高精度Ernostar 物鏡以及其它獨一無二的先進技術。 KEYENCE 進一步改進了成熟的LK系列的CCD傳感器工藝并開發(fā)了包括Li-CCD 和高精度Ernostar 物鏡在內的全新技術。 如圖所示,Li-CCD減少了像素邊緣錯誤，精確度是傳統(tǒng)型號的兩倍之多,由于CCD有數字輸出每個像素的特點，因此在像素邊緣產生的漸進輸出所造成的錯誤會影響精確度的進一步提高。KEYENCE 開發(fā)了一種Li-CCD 作為對策，這種CCD能夠以一個像素輸出反射光的位置，在精確性方面極為出色，是傳統(tǒng)型號的兩倍。此外，傳感器還使用了專門

15、的設計，速度和靈敏度分別是傳統(tǒng)型號的25倍和10倍* Li-CCD= 直線性CCD,測量原理,高精度測量的Li-CCD 的原理 使用了三角形測量法。反射光在Li-CCD上的位置隨著目標物位置的改變而改變，通過檢測該變化就可以測量物體的位移量。 如圖所示,超精度 - LK-G10/G15 系列 超精度傳感器，解析度高達0.01m 如圖所示,高精度 - LK-G30/G35 系列 可準確測量透明物體，塑料和金屬制品。 如圖所示,高穩(wěn)定性 - LK-G80/G85系列 （多種用途 ） 新技術在需要長距離測量的情況下為高精度的應用提供了更好的穩(wěn)定性 如圖所示,長距離 - LK-G150/G155 系列

16、 集高精度、長距離和最快的采樣速度于一身測量范圍150 40 mm 如圖所示,高速、長距離 - LK-G400/G405 系列 集高精度、長距離和最快的采樣速度于一身測量范圍400 100 mm 如圖所示,超長距離 - LK-G500/G505 系列 高精度、高速、超大范圍。傳統(tǒng)型號之1.5倍大范圍量測：最遠達1000mm 如圖所示,50 kHz的超高采樣速度,所有類型: LKG10/15/30/35/80/85/150/155/400/405/500/505 比傳統(tǒng)型號快25倍的高速采樣是Li-CCD的一大特色。由專用波形處理器（數字信號處理器）對發(fā)自Li-CCD的信號進行高速數字處理，能夠

17、滿足高速測量和高精度測量的要求。,Li-CCD可以對高速移動，高速轉動或高速振動的物體進行可靠的測量。 如圖所示,PD3575D CCD圖像傳感器,PD3575D概述 PD3575D是NEC公司生產的一種高靈敏度、低暗電流、1024像元的內置采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器。該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR。它內部包含一列1024像元的光敏二極管和兩列525位CCD電荷轉移寄存器。該器件可工作在5V驅動（脈沖）和12V電源條件下。,PD3575D的主要特性如下 ： *像敏單元數目：1024像元； *像敏單元大?。?4m14m14m(相鄰元中心距為14m)； *光敏區(qū)域：采用高靈

18、敏度和低暗電流PN結作為光敏單元； *時鐘：二相（5V）； *內部電路：采樣保持電路，輸出放大電路； *封裝形式：20腳DIP封裝。,PD3575D的內部結構原理 PD3575D 中間一排是由多個光敏二極管構成的光敏陣列，有效單元為1024位，它們的作用是接收照射到CCD硅片的光，并將之轉化成電荷信號，光敏陣列的兩側為轉移柵和模擬寄存器。在傳輸門時鐘TG的作用下，像元的光電信號分別轉移到兩側的CCD轉移柵。然后CCD的MOS電容中的電荷信號在IO的作用下串行從輸出端口輸出。上述驅動脈沖由專門的驅動電路產生。,小型CCD產品 監(jiān)控好幫手-SONY球形網絡攝像機,SNC-RZ50P使用Sony先進的ExwaveHADCCD 技術 最低照度： 彩色2.2Lx(50IRE，F1.6，AGCON)； 黑白0