智能控制与检测技术 课件 任务7.3 CCD图像传感器

智能控制与检测技术任务7.3

CCD图像传感器认知一、传统机器视觉系统基本构成待测目标CCD相机镜头灯源图像采集卡电脑系统PCI地址总线灯源控制信号相机控制信号及电源模拟图像信号数字图像信号机器视觉就是用机器代替人眼来对物体做测量和判断。机器视觉系统是有一个或多个摄像机来抓拍图像，数字化的图像经过处理提取出需要的信息（是什么、对错、位置、大小、颜色等），然后逻辑运算决定怎样进行控制。定义：使用器件进行非接触感知，自动获取和解释一个真实场景的图像，用来获取信息和（/或）控制机器或过程。二、机器视觉应用的基本过程在机器视觉应用中，包括以下几个过程：

图像采集通过光学装置，由相机采集图像，图像转换成数字格式式并传入计算机存储器。

图像处理处理器运用不同的算法来处理对决策有重要影响的图像要素，如对图像进行颜色辨识,面积、长度测量，图像增强，边缘锐化，降噪等处理。

特性提取处理器识别并量化图像的关键特性，例如检测出的物体颜色和杂质的形状等等。然后这些数据传送到控制程序。

判决和控制处理器的控制程序根据收到的数据进行各种运算做出结论。并根据这些结论输出相关的信号指令控制现场的设备或输入输出系统执行相应的控制动作机器视觉应用分类测量（如长度测量）三、机器视觉的主要应用领域检测（检测有无、数量、残次品等）定位（物体定位）识别（如读码）6工业相机用于获取图像传感器选择传感器结构输出信号CCDCMOS面阵相机线阵相机数字相机模拟相机图像黑白相机彩色相机优点机器视觉系统的优点有：

1、非接触测量，对于观测者与被观测者都不会产生任何损伤，从而提高系统的可靠性。

2、具有较宽的光谱响应范围，例如使用人眼看不见的红外测量，扩展了人眼的视觉范围。

3、长时间稳定工作，人类难以长时间对同一对象进行观察，而机器视觉则可以长时间地作测量、分析和识别任务。机器视觉系统的应用领域越来越广泛。在工业、农业、国防、交通、医疗、金融甚至体育、娱乐等等行业都获得了广泛的应用，可以说已经深入到我们的生活、生产和工作的方方面面。2025/8/2881）概述人从自然界获取的信息中以视觉获取的量最多，约占信息总量的80%。视觉传感器扩展人的视觉范围，使人看到视觉范围外的微观和宏观世界。视觉技术快速发展，使信息摄取方法由一维发展到二维及三维，敏感器件由一维线阵发展到二维面阵。CCD和CMOS图像传感器是典型代表。CCD的特点：基于内光电效应，由光敏单元集成的一种光传感器，集电荷存储、移位和输出为一体。单个光敏单元称为像素，以一定尺寸大小按某一规则排列，组成线阵或面阵。基本类型：一是光生电荷存储在半导体与绝缘体的界面上，并沿界面转移，称为表面沟道电荷耦合器件(SCCD)；二是光生电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在体内沿一定的方向转移，称体沟道或埋沟道电荷耦合器件(BCCD)。四.视觉传感器--CCD(charge-CoupledDevices)图像传感器件2025/8/2892）CCD的基本工作原理

一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。

电荷耦合器将光学影像转换为数字信号由大量按矩阵排列的光敏元件组成CCD的分辨率即像素CCD及光敏元件放大示意图3）CCD的组成微型镜片分色滤色片感光层CCD组成结构图分色滤色片分色滤色片工作原理图SuperCCD由富士公司推出采用八边形的二极管，有效感光面积更大像素以蜂窝状排列，更紧凑，对光线的利用率更高改变像素间的排列关系，生成的像素更多图6.SuperCCD与普通CCD比较图1、CCD传感器的基本结构CCD基本结构分两部分：1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列；2.读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。CCD成像原理存储后期处理放大A/D转换产生电荷收集电荷光线射入CCD成像原理图

MOS光敏元结构

MOS（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容器是构成CCD的最基本单元。信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生电子入射光MOS电容器

CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。

2、信号电荷的存储

一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG<Uth

时UG>Uth

时在栅极G电压为零时，P型半导体中的空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当施加正偏压UG(此时UG小于p型半导体的闽值电压Uth)，空穴被排斥，产生耗尽区。电压继续增加，则耗尽区将进一步向半导体内延伸。Ф3P型Si耗尽区电荷转移方向Ф1Ф2输出栅输入栅输入二极管输出二极管SiO2CCD的MOS结构

CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。3、信号电荷的传输（耦合）(a)初始状态；(b)电荷由①电极向电极②转移；(c)电荷在①②电极下均匀分布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极；(f)三相转移脉冲

图中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极加有大于阈值的较低的电压(例如2V)，如图(a)所示。一定时刻后，(2)电极由2V变为10V，其余电极保持不变，如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很近(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在(1)下的电荷变为(1)和(2)两个电极共有，图(C)示。此后，改变(1)电极上10V电压为2V，(2)电极上10V不变，如图(d)示，电荷将转移到(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱及电荷包向右转移了一个位置。背照明光输入1电荷生成2电荷存储3电荷转移复位输出4电荷检测半导体

CCD传感器CCD工作过程示意图CCD分辨率分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣＤ上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重要特性。（像素=分辨率长宽数值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。

彩色CCD显微照片（放大7000倍）2025/8/2829CCD图像传感器的分类

1.线阵CCD外形

2025/8/28302.面阵CCD

面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。

2025/8/2831CCD的基本特性参数

CCD的基本特性参数有：光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素数目相同的条件下，像素点大的CCD芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储能力，因此可提高动态范围及其他指标。

2025/8/28CCD图像传感器的应用

线阵CCD在扫描仪中的应用

33线阵CCD在图像扫描中的应用风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描34CCD数码照相机