《传感器》-项目7 图像检测

2026/6/221

视觉获取的信息占人类所能获得信息总量的80%以上，作为视觉的延伸，图像检测因而在工业、农业和日常生活中发挥出越来越重要的作用。2026/6/222任务一固态图像传感器【任务导入】

数码相机以其高质量的拍摄效果和方便的图像处理将人们带入了电子相册时代。数码相机工作原理为：外界景物发射或反射的光线通过镜头传播到相机内部的图像传感器上，使用者按动电门，取景器电路锁定信号，彩色图像传感器于是将感应到的光线强弱转换为连续的电信号输出，变换成数字信号后存储到存储卡中。2026/6/2232026/6/224

作为感官的图像传感器起到至关重要的作用。因此选择何种功能、何种型号的传感器，保证在大众可接受的价格范围内力求“明察秋毫”是需要认真研究的课题。本课题任务：在学习图像检测基本概念的基础上，了解数码产品中图像传感器的工作原理及使用方法。2026/6/225◆知识点¤学习图像检测的基本概念¤掌握固态图像传感器的分类及电荷耦合器件的原理¤学习各种固态图像传感器的结构和使用场合◆技能点¤图像传感器的选用方法2026/6/226一、图像检测基础知识

1.图像检测系统组成图像检测系统是采用图像传感器摄取图像，利用转换电路将其转化为数字信号，再用计算机软硬件对信号进行处理得到需要的最终图像或通过识别、计算后获取进一步信息的检测系统。图像传感器是“光→电”转换关键环节2026/6/227

2.图像传感器图像传感器是利用光敏元器件的光-电转换功能，将元器件感光面上感受到的光线图像转换为成一定比例关系的电信号并作相应处理后输出的功能器件。它能够实现图像信息的获取、转换和视觉功能的扩展。随着图像检测对图像传感器要求的增强和专门化，图像传感器的结构和功能呈现出较大差别。既有结构简单、芯片级的固态图像传感器，也有功能完善、应用级的光纤图像、红外线图像传感器以及机器视觉传感器等.

2026/6/228二、固态图像传感器

固态图像传感器要求具有两个基本功能：一是具有把光信号转换为电信号的作用；二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并将其按时间取出的扫描作用。目前主要分为三类：（1）电荷耦合式图象传感器（CCD）；（2）CMOS图象传感器；

（3）接触式影像传感器（CIS）。前两种类型占据市场主流。2026/6/2292026/6/22101、CCD图像传感器

CCD全称电荷耦合器件，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。

CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。

2026/6/2211（1）电荷耦合器件

电荷耦合器件是一种在大规模集成电路技术发展的基础上产生的，具有存储、转移并读出信号电荷功能的半导体功能器件，其基本组成部分是MOS电容（光敏元)和读出移位寄存器。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。2026/6/2212

在P型半导体基片上形成一层氧化物，在氧化物上再沉积出一层金属电极，从而形成一种金属电极-半导体氧化物-半导体的结构，即MOS电容。

这种MOS电容称为MOS光敏电容，或称像素。一般在半导体硅片上制有几百、上千个相互独立的MOS电容，它们按线阵或面阵有规则地排列。2026/6/2213MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片

彩色CCD显微照片（放大7000倍）2026/6/2215

（2）CCD的基本工作原理

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。

2026/6/22162026/6/2217(3)CCD图像传感器的分类

线阵CCD外形

2026/6/2218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。

2026/6/2219面阵CCD外形（续）200万和1600万像素的面阵CCD

2026/6/2220面阵CCD外形（续）

2026/6/2221面阵CCD外形（续）

2026/6/2222（4）CCD图像传感器的选择

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。

若已知图像的最大空间频率k（线数/mm），则采样频率应>2k。例如：已知k=40线/mm，

则采样频率>80线/mm，即采样尺寸=1/80mm=12.5µm（分辨率）

合理选择动态特性，保证转换后图像不失真2026/6/2223采样频率的选择：

2026/6/2224（5）CCD图像传感器的应用

线阵CCD在扫描仪中的应用

2026/6/2225线阵CCD在图像扫描中的应用

线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控

风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描2026/6/2226线阵CCD用于字符识别2026/6/2227CCD数码照相机

数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。

2026/6/2228CCD用于图像记录

2026/6/2229数码相机的外形2026/6/2230三基色分离原理

CCD数码照相机的结构2026/6/2231数码相机的结构解剖

（索尼F828）CCD2026/6/2232CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片2026/6/2233CCD数码摄像机

2026/6/22342、CMOS

图像传感器

CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。

2026/6/22352、CMOS

图像传感器（续）

CCD和CMOS使用相同的光敏材料，受光后产生电子的原理相同，并且具有相同的灵敏度和光谱特性。但是，在CMOS传感器中，积聚的电荷不是通过移位寄存器读出，而是立即被MOS电容中的放大器所检测，通过直接寻址方式读出信号。它的主要优势是低成本、低功耗、数字接口简单，通过系统集成可实现小型化和智能化。2026/6/2236固态图像传感器的比较

CCD传感器一般被认为具有以下优点：1.高分辨率：像素大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。2.高灵敏度：CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声，信噪比高，从而具有高灵敏度；3.动态范围广：同时感知及分辨强光和弱光，提高系统环境的使用范围；4.线性良好：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，降低了信号补偿处理的成本；2026/6/2237固态图像传感器的比较

5.大面积感光：利用半导体技术已可制造大面积的CCD晶片；6.低影像失真：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，忠实反应原始图像；

这种传感器的缺点也很明显，表现在CCD图像传感器不能提供随机访问，影响了成像速度；需要复杂的时钟芯片，制造成本高；辅助功能电路难以与CCD集成到一块芯片上，造成CCD大多需要三种电源供电，功耗大、体积大。2026/6/2238

与CCD相比，CMOS图像传感器拥有以下优点：系统集成：CMOS图像传感器能在同一个芯片上集成各种信号和图像处理模块，如运放器、A/D转换、彩色处理和数据压缩电路、标准TV和计算机I/O接口等，形成单片数字成像系统；低功耗：CMOS图像传感器只需单一电压供电，静态功耗几乎为零，其功耗仅相当于CCD功耗的1/8，有利于延长便携式，机载或星载电子设备的使用时间；成像速度快：CCD采用串行连续扫描的工作方式，必须一次性读出整行或整列的像素值，CMOS图像传感器可以在每个像素扫描的基础上同时进行信号放大；2026/6/2239响应范围宽：CMOS图像传感芯片除了可见光外，对红外等非可见光波也有反应。在890～980纳米范围内其灵敏度比CCD图像传感芯片的灵敏度要高出许多，并随波长增加而衰减的梯度也慢一些。设计制造出1～3微米都敏感的CMOS图像传感芯片，在夜战和夜间监控上将有更广泛的应用。抗辐射性强：由于CCD的像素由MOS电容构成，电荷的激发的量子效应易受辐射线的影响，CMOS图像传感器的像素由光电二极管或光栅构成，抗辐射能力比CCD大十多倍。成本低：CMOS制造成本低，结构简单，成品率高。2026/6/2240CMOS视频摄像头

带红外LED照明的CMOS视频摄像头2026/6/2241CMOS视频摄像头的外部结构

2026/6/2242CMOS视频摄像头的外形及内部结构

2026/6/2243【任务实施】

经过相关知识的学习，来选择本课题中需要的数码相机成像器件：数码相机中使用的图像芯片要求分辨率高、低功耗、尺寸小、寿命长，不易损坏。高分辨率是起到决定作用的因素，其次才是价格和功耗。固态图像传感器中最常用的CCD和CMOS芯片在数码产品中使用的都很广泛，CCD的优势在于用较低的成本获得高分辨率，技术成熟，目前市场上大多数厂家还是选择CCD芯片生产数码相机；同时要看到，CMOS由于易于实现单片集成、视频速率下读出噪声小，静态功耗低，发展高性能的CMOS图像传感器取代CCD图像芯片的时代已经不远了。2026/6/2244

数码相机工作时使用固态传感器感光成像，光线通过透镜系统和滤色器投射到传感器的光敏元件上，元件将其光强和色彩转换为电信号，再通过A/D转换器转换为数字信号，然后送入具有信号处理能力的DSP（数字信号处理器），信号进一步送给离散余弦变换部件DCT进行JPEG压缩，然后通过接口电路记录到存储器（存贮卡）中。2026/6/2245

作为一种应用级的产品，视觉传感器是固态图像传感器成像技术和Framework软件结合的产物，它可以识别条形码和任意OCR字符。作为一个独立的视觉系统，它不需要任何计算机或分离型处理器，可选配集成光源和独立的镜头结构，便于安装在狭小的空间，而且能够覆盖大范围的检测。

因为具有35-130万像素的高分辨率，无论距离远近，传感器都能“看到”细腻的目标图像。捕获图像后，视觉传感器能将其与内存中存储的基准图像比较作出分析判断。三、视觉传感器2026/6/2246与传统的光电传感器相比，视觉传感器赋予机器设计者更大的灵活性。光电传感器包含一个光传感元件，而视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计像素的能力。以往需要多个光电传感器的应用，现在可以用一个视觉传感器来检验多项特征。它能够检验大得多的面积，并实现了更佳的目标位置和方向灵活性。2026/6/2247烟草包装生产线的自动化程度很高。该参测系统中选用了欧姆龙公司的F150视觉传感器。视觉传感器取代人工进行在线检测，可以减轻工人劳动强度，能减少次品，大大提高生产效率。

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计算机视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴检测技术。它利用计算机视觉研究成果，采用图像传感器来实现对被测物体的尺寸及空间位置的三维测量，所得数据通过计算机对标准和故障图像进行比对或直接从图像中提取信息，并根据判别结果控制设备动作。

这种基于视觉传感器的智能检测系统具有抗干扰能力强，效率高，组成简单等优点，非常适合生产现场的在线、非接触检测及监控。四、智能视觉检测2026/6/2249

机器人视觉一般指与机器人配合使用的工业视觉系统。把视觉系统引入机器人以后，可以大大地扩大机器人的使用性能。机器人视觉除要求价格经济外，还具有对目标有好的辨别能力、实时性、可靠性等方面的要求。视觉传感器是视觉系统的核心，既要容纳进行轮廓测量的各种光学、机械、电子、敏感器等各方面的元器件，又要体积小、重量轻。视觉传感器通常包括激光器、扫描电动机及扫描机构、角度传感器、线性图像传感器及其驱动板和各种光学组件。2026/6/2250

机器人视觉传感器是图像传感器和机电、光学设备的综合部件，是非接触型的，是电视摄像机等技术的综合。是机器人众多传感器中最稳定的传感器。2026/6/2251任务二光纤图像传感器

光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒介，具有电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、高灵敏度、容易实现远距离监控等特点，适于测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力等物理量。2026/6/2252【任务导入】

问题：汽车经过免拆清洗后很难直观显现出性能的改善。当车主问及此类问题时，维修工只能说出汽车更省油、加速性能加强、尾气合格、发动机内部积碳清除等说明免拆清洗机功能的话。不能直观地看出汽车何处性能得到加强。工业内窥镜可以成为解决该问题的关键：使用工业内窥镜，穿过火花塞孔或喷油嘴，可以直接观察到气缸内部的各种故障，如积炭、异物等，同时还可用于水箱、油箱、齿轮箱的检测和诊断，大大提高工作效率。

2026/6/22532026/6/2254

那么这种工业内窥镜采用何种传感器作为成像和传输的元件？该传感器的结构和工作原理怎样？这些构成本课题研究的中心内容。2026/6/2255知识点¤了解光纤传递的基本知识¤学习光纤图像传感器的基本原理◆技能点¤光纤图像传感器的适用场所及使用方法2026/6/2256【相关知识】一、光纤结构和传光原理

光纤是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包层和护层组成。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯（纤芯）和玻璃包皮（包层）两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯位于光纤的中心部位，光主要在此传输。包层材料一般为SiO2，可以是单层，也可以是多层结构，取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100～200μm范围内。2026/6/2257光纤结构2026/6/2258二、光纤传感器基本工作原理

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用后，导致光的某些特性(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测参数。2026/6/2259三、光纤传感器的类型

光纤传感器按其传感器原理分为：一类是传光型，也称为非功能型光纤传感器；一类是传感型，或称为功能型光纤传感器；一类是拾光型光纤传感器。

根据受光被测对象的调制形式光纤图像传感器又可分为强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制等几种类型。2026/6/2260

在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的,中断的部分要接上其他介质的敏感元件。传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。2026/6/2261

传感型光纤传感器的光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，传感型光纤传感器的光纤是连续的，可以少用一些光耦合器件。但是，为了光纤能接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作探头。2026/6/2262四、光纤传感器的特点

光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。

(1)光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。

(2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。

(3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。2026/6/2263

⑴工业用内窥镜在工业生产的某些过程中，经常需要检查某些系统内部结构状况，而这些系统由于种种原因不能打开或靠近观察，采用光纤图像传感器可解决这一难题。将探头事先放入系统内部，通过光纤传像束的传输可以在系统外部观察、监视。该传感器主要由物镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上，再由物镜对待观测物体成像，经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上，观察者便可对该图像进行分析处理。【

任务实施

】2026/6/2264

另一种结构形式如下图所示。内部结构的图像通过传像束送到CCD器件上，可以把光的图像信息转换成电信号送入微机进行相应的处理，微机的输出可以通过伺服装置，实现跟踪、控制等。2026/6/2265

⑵医用内窥镜医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管（传像束）、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。

2026/6/2266任务三红外图像传感器

任何物体只要温度超过绝对零度就能产生红外辐射，同可见光一样，这种辐射能够进行折射和反射，从而形成了红外技术。红外探测是用仪器接受被探测物发出或反射的红外线，从而掌握被探测物所处位置的技术。这种技术因其独有的优越性，在军事和民用领域得到了广泛的应用，出现在制导、火控跟踪、目标侦察，工业设备监控、安全监视、医学热诊断等场合下。2026/6/2267【任务导入】

重庆市西南医院门诊大厅有一台能在一秒钟内同时监控60人体温的红外线热像仪，该设备能在5-10米距离内实现非接触测温，以预防病人交叉感染，该设备的投入对于应对“非典”等重大疫情大有裨益，其中的成像元件——红外图像传感器（红外探测器）是设备正常工作的关键部件。那么这种传感器的原理是怎样的？如何正确选择和使用？本课题中对此着重探讨。2026/6/2268◆知识点¤了解红外图像传感器的分类¤熟悉红外图像传感器的基本原理◆技能点

¤掌握红外图像传感器的适用场所及使用2026/6/22692026/6/2270【相关知识】

自然界中，任何高于绝对温度（-273度）的物体都将产生红外光谱。不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外辐射与温度的高低相关。

红外辐射俗称红外线，是波长范围大致在0.76～1000μm的不可见光。红外线检测的方法很多，有热电偶检测、光导纤维检测、量子器件检测等。一、红外辐射与红外检测2026/6/2271红外检测系统一般由光学系统、红外探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是其中的核心。红外探测器就是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。2026/6/2272二、红外探测器的分类红外探测器的种类很多，按探测原理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器光子探测器2026/6/22731、热探测器

热释电探测器热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关的物理参数发生相应变化，通过测量有关物理参数的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。一般热探测器的灵敏度要比光子探测器低一到两个数量级，响应速度也慢的多；但热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。主要类型有:测辐射热器、辐射温差电偶型和热释电型等。目前国内一般采用热释电型。2026/6/2274

热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面