固态成像器件原理及应用总复习.ppt

2020年3月6日第1页 固态成像器件原理及应用总复习 长春理工大学刘智2008年12月18日 2020年3月6日第2页 二 课程主要内容 图像与图像传感器的历史与现状图像传感器技术简介成像系统技术基础固态图像传感器原理和特性 CCD和CMOS 固态图像传感器的应用 2020年3月6日第3页 图像及其重要作用 人类获取的信息中超过70 是图像信息 获取图像信息是人类文明生存和发展的基本需要 也是获取信息最方便和最快捷的手段 为了尽可能地获得不同光谱段 不同环境下清晰 亮度 对比度较好的图片 需要有高质量的图像传感器和图像采集系统 2020年3月6日第4页 图像的获取 2020年3月6日第5页 图像传感器的定义 图像传感器是一种光电变换器件 它将传感器感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的 图像 电信号 按照工作方式 可分为直视型光电成像器件 非直视型光电成像器件 按照成像光谱分布 可分为红外 可见光 紫外 X射线 亚毫米波等非可见辐射探测用图像传感器 按照发展历史和制造工艺 可分为电真空器件 固态成像器件 2020年3月6日第6页 什么是固态图像传感器 固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元和移位寄存器构成的集成化 功能化的光电器件 固态图像传感器是利用光电器件的光 电转换功能 将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的 图像 电信号的一种功能器件 即利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成 图像 电信号 2020年3月6日第7页 第二讲主要内容 2 1光度学基本原理2 2光源2 3固态成像技术基础2 4总结2 5作业 2020年3月6日第8页 2 1光度学基本原理 光电效应光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应和外光电效应两类 这是图像传感器工作的基础 内光电效应 被光激发所产生的载流子 自由电子或空穴 仍在物质内部运动 使物质的电导率发生变化或产生光生伏特效应的现象 外光电效应 被光激发产生的电子逸出物质表面 形成真空中的电子的现象称为外光电效应 2020年3月6日第9页 2 2光源 钨丝白炽灯白炽灯是人们最熟悉的一种光源 它依靠电能加热钨质灯丝 使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光 因此称为白炽灯 白炽灯发射连续光谱 在可见光谱段中部和黑体辐射光谱仅相差0 5 钨丝的熔点约为3600K 钨丝装在抽成真空的或充有惰性气体的玻璃泡里 工作温度通常在2200 3000K 光源的亮度正比于辐射体热力学温度的4次方 它的发光特性稳定 寿命长 容易使用 光辐射量值复现性好 除作光源照明外 也广泛用作传递辐射度 光度量的标推光源 发光效率较低 100W以下的一般在6 12 2020年3月6日第10页 2 2光源 白炽灯的供电电压对其寿命有很大影响 电压增加 灯丝温度上升 光通量增加 发光效率提高 但是钨丝蒸发加快 寿命降低 2020年3月6日第11页 2 2光源 卤钨灯由于碘 溴等卤素和钨结合 在高温时又极易分解 把它们充入白炽灯中可以实现卤钨再循环 从而提高灯丝的工作温度和发光效率 这种灯即为卤钨灯或卤素订 与充气白炽灯相比 灯壳不发黑 可始终保持近似恒定的光通量 发光效率和寿命均有提高 2020年3月6日第12页 2 2光源 LED光源 半导体光源主要优点是体积小 重量轻 可靠性高 使用寿命长 亮度足够 供电电源简单等 2020年3月6日第13页 2 2光源 激光获得激光输出的三个条件泵浦源 将处于低能态得电子激发或者泵浦到教高能级上去 实现粒子数反转 使受激辐射足以克服损耗 有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益 用以维持受激辐射的持续振荡 主要种类气体激光器 固体激光器 半导体激光器等等 2020年3月6日第14页 2 2光源 激光激光的特点方向性强单色性好相干性好亮度高 2020年3月6日第15页 图像传感器原理 图像传感器的基本结构光机扫描图像传感器电子束扫描图像传感器固体自扫描图像传感器图像的显示与电视制式电视监视器的扫描电视制式图像传感器基本参数 2020年3月6日第16页 固态成像技术基础 图像传感器的基本结构光机扫描图像传感器电子束扫描图像传感器固体自扫描图像传感器 2020年3月6日第17页 固态成像技术基础 图像传感器的基本技术参数与光学系统相关的参数成像物镜的焦距f 决定了被摄景物在光电成像器件上所成像的大小 物距相同的情况下焦距越长 所成的像越大 相对孔径D f 为物镜入瞳的直径与其焦距之比 相对孔径的大小决定了物镜的分辨率 像面照度和成像质量 视场角2 决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围 镜头标准 C口和CS口 2020年3月6日第18页 图像的显示与电视制式 电视监视器扫描方式逐行扫描隔行扫描 2020年3月6日第19页 2020年3月6日第20页 什么是CCD CCD是一种图像传感器 CCD是ChargeCoupledDevice 电荷耦合器件 的简称 CCD的作用是将通过光学镜头投影到CCD表明上的光学图像转换为与之成比例的电荷包 在CCD像面上形成电荷图像 将电荷图像输出成为电压视频图像 以后再经过数字化处理 把图像作为一个文件存储起来 2020年3月6日第21页 2020年3月6日第22页 小结 电荷耦合器件 CCD 特点 以电荷作为信号 CCD的基本功能 电荷存储和电荷转移 CCD工作过程 信号电荷的产生 存储 传输和检测的过程 构成CCD的基本单元是MOS电容 2020年3月6日第23页 CMOS图像传感器原理 CMOS图像传感器概念ComplementaryMetal Oxide SemiconductorImageSensor 是一种用传统的集成电路工艺方法将光敏元件 放大器 A D转换器 存储器 数字信号处理器和计算机接口电路集成在一块硅片上的图像传感器件 2020年3月6日第24页 CMOS图像传感器像元结构 无源像元 PassivePixel 有源像元 ActivePixel 光电栅型像元 PhotogatePixel 2020年3月6日第25页 CMOS图像传感器的一般结构 2020年3月6日第26页 CMOS与CCD器件性能对比 2020年3月6日第27页 典型CMOS图像传感器 OV7620 OminiVision公司出品 2020年3月6日第28页 OV7620实拍图像2 OV7620获得的可见光图像 2020年3月6日第29页 OV7620实拍图像3 OV7620获得的红外图像 2020年3月6日第30页 OV7620工作时序图 OV7620的主要时序图 2020年3月6日第31页 OV7620数字相机原理框图 2020年3月6日第32页 CCDSensorImageFormat 1 format 1 2 format 2 3 format 1 3 format 16mm 11mm 8mm 6mm Theimagesizeininchesrelatesbacktothetubecamera Theimageformatofatubewhichcouldbeplacedina1 deflectioncoilwascalled1 format Theactiveimagesizeis16mmindiagonal Itisthesameasfora16mmfilmformat BIPM BureauInternationaldesPoids Mesures recommendtousemetricdesignation Belowisthemostcommonimageformatsshown Diagonal Type1 Type1 2 Type2 3 Type1 3 Imagesize Sony Home 2020年3月6日第33页 LensMountC mountandCS mount Focalplane FlangebackdistanceC mount17 526mmCS mount12 526mm Lensflange Lensthread ThemostcommonlensforCCTVcamerasareoftheC mountorCS mounttype Thestandardisfromold16mmfilmcameras Thelensthreadandthedistancefromthelensreferenceflangetotheimageplaneisstandard Thelensthreadis1 32UN 2A Diameteris1inch Threadpitchis32 inch 600 Tolerance2ATheflangebackdistanceinairis17 526mmforC mount ForCS mountitis12 526mm Glassfiltersorprismbetweenlensandfocalplanewillincreasethedistance Thethreadlengthisforsomecamerasspecifiedtobeshorterthan4mm Witha5mmadapterring aCSlenscanbeusedonaC mountcamera 2020年3月6日第34页 固态成像技术的应用 检测和识别技术领域 图像获取 处理和存储有无判断面积检测方向检测位置检测角度检测尺寸检测文字识别光谱检测表面检测 2020年3月6日第35页 机器视觉系统结构 机器视觉是一个系统的概念 运用现代先进的光电传感技术 控制技术 计算机技术及数字图像处理技术 表现为光机电算等技术的结合 2020年3月6日第36页 固态成像系统组成 光源 光学系统 相机 图像采集卡 处理软件 2020年3月6日第37页 固态成像技术的应用实例 高帧频成像钞票印刷质量检测入侵报警图像记录系统激光切割系统 2020年3月6日第38页 高帧频相机 2020年3月6日第39页 钞票印刷检测 2020年3月6日第40页 入侵报警及图像记录系统 研究目的 利用对探测灵敏度较高且对红外光敏感的CMOS图像传感器 结合高灵敏度热释电人体探测器 实现对住宅 办公室等待保护场所的监视 对发生的异常情况进行现场图像摄取及存储 同时通过通信线路进行报警 通知总控中心及相关人员进行处理 技术要求 存储图像分辨率515 512 存储介质 FLASH 通信接口USB1 1 存储容量64M 未压缩273张 人体探测器采用热释电传感器 系统组成 CMOS数字相机及存储部分 人体探测部分 报警部分 遥控部分 2020年3月6日第41页 入侵报警及图像记录系统 2020年3月6日第42页 2020年3月6日第43页 激光切割系统 研究目的 在CCD相机系统的监测下 实现对被切割物的灵活 精确切割 技术指标 图像定位精度 5 m切割区域 100mm 100mm激光波长 0 532 m 1 06 m