現(xiàn)代檢測技術(shù)-圖像傳感器課件

圖像傳感器圖像傳感器是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的將光學(xué)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(dǎo)體圖像傳感器。固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導(dǎo)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(dǎo)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(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的將光學(xué)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(dǎo)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(gòu)為例，如果在金屬電極——柵極上施加一足夠大的正點壓，半導(dǎo)體表面將處于深耗盡狀態(tài)，在半導(dǎo)體表面形成電子勢阱。半導(dǎo)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(gòu)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(yīng)設(shè)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(gòu)。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(yīng)光生電荷包，電荷的多少與光強有關(guān)。

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(gòu)CCD結(jié)構(gòu)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(gòu)CCD結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)文字識別技術(shù)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(yīng)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(gòu)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(gòu)。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(gòu)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(gòu)有隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)（行間傳輸）和幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)（場傳輸）。面型CCD工作原理隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的像敏單元呈二維排列，每列像敏

幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)：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(gòu)復(fù)雜，價格昂貴彩色CCD結(jié)構(gòu)CCD硅芯片不能區(qū)分不同光譜的顏色，

彩色CCD結(jié)構(gòu)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(gòu)，降低價格；通過反馬賽克算法從Bayer模式圖像恢復(fù)出RGB模式圖像。彩色CCD結(jié)構(gòu)2.彩色濾波陣列—Bayer濾波器模式

彩色CCD結(jié)構(gòu)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(gòu)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(yīng)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(guān)，因此分為光譜響應(yīng)度（對特定波長入射光）和積分響應(yīng)度（對連續(xù)波長輻射光）；2.光譜特性：響應(yīng)度與入射光頻率或波長的關(guān)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(yīng)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(yīng)器。CCD的基本特性參數(shù)1.響應(yīng)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(xué)系統(tǒng)的放大率有關(guān)。CCD實際分辨率=光敏單元中心距/光學(xué)系統(tǒng)放大倍率最大被測物尺寸=最大成像尺寸/光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)5.均勻性：光敏單元對光強度響應(yīng)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(yīng)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(yīng)用特點非接觸檢測;CCD傳感器的應(yīng)用特點

CMOS圖像傳感器

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）互補式金屬-氧化物-半導(dǎo)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(guān)注，低功耗、高集成度；已廣泛用于各種高、中、低端圖像采集設(shè)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(fù)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(yīng)用

圖像傳感器的應(yīng)用

圖像傳感器的應(yīng)用圖像傳感器的應(yīng)用

圖像傳感器的應(yīng)用零件二維尺寸檢測圖像傳感器的應(yīng)用零件二維尺寸檢測

圖像傳感器的應(yīng)用圖像傳感器的應(yīng)用

圖像傳感器的應(yīng)用圖像傳感器的應(yīng)用

圖像傳感器圖像傳感器是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的將光學(xué)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(dǎo)體圖像傳感器。固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導(dǎo)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(dǎo)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(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的將光學(xué)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(dǎo)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(gòu)為例，如果在金屬電極——柵極上施加一足夠大的正點壓，半導(dǎo)體表面將處于深耗盡狀態(tài)，在半導(dǎo)體表面形成電子勢阱。半導(dǎo)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(gòu)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(yīng)設(shè)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(gòu)。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(yīng)光生電荷包，電荷的多少與光強有關(guān)。

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(gòu)CCD結(jié)構(gòu)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(gòu)CCD結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)文字識別技術(shù)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(yīng)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(gòu)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(gòu)。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(gòu)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(gòu)有隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)（行間傳輸）和幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)（場傳輸）。面型CCD工作原理隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的像敏單元呈二維排列，每列像敏

幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)：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(gòu)復(fù)雜，價格昂貴彩色CCD結(jié)構(gòu)CCD硅芯片不能區(qū)分不同光譜的顏色，

彩色CCD結(jié)構(gòu)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(gòu)，降低價格；通過反馬賽克算法從Bayer模式圖像恢復(fù)出RGB模式圖像。彩色CCD結(jié)構(gòu)2.彩色濾波陣列—Bayer濾波器模式

彩色CCD結(jié)構(gòu)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(gòu)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(yīng)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(guān)，因此分為光譜響應(yīng)度（對特定波長入射光）和積分響應(yīng)度（對連續(xù)波長輻射光）；2.光譜特性：響應(yīng)度與入射光頻率或波長的關(guān)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(yīng)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(yīng)器。CCD的基本特性參數(shù)1.響應(yīng)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(xué)系統(tǒng)的放大率有關(guān)。CCD實際分辨率=光敏單元中心距/光學(xué)系統(tǒng)放大倍