《图像传感器》PPT课件

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1、第七章图像传感器机械工业出版社2016.8学习目标掌握常见CCD和CMOS图像传感器的基本工作原理、主要参数及选型方法。了解图像传感器的一般应用，能进行简易图像检测系统的操作，如图像获取与显示、图像识别等。能够根据工作任务，检索文献、查找阅读资料（含英文资料）以获得有用的信息；能自主学习新知识、新技术，具有综合与创新能力。专业能力方法能力第七章图像传感器CMOS图像传感器2实训课题机器人智能视觉4CCD图像传感器1本章小结5图像传感器的应用3图像传感器视觉获取的信息占人类所能获取的信息总量的80%以上，作为视觉系统的延伸，图像检测在

2、工业、农业及日常生活发挥出越来越重要的作用。图像检测采用图像传感器将被检测的目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置、长度，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，包括尺寸、角度、个数、合格/不合格、有/无等，实现自动识别功能。图像传感器图像检测系统按功能可划分为图像输入（图像检测）、图像处理及图像输出组成。7.1CCD图像传感器CCD图像传感器由电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice）制成，因集

3、成度高，功耗小、耐冲击、寿命长等特点，而被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真、通信等领域。在硅衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。该栅极和硅衬垫就形成了规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD电荷耦合器件芯片。CCD器件CCD有线针型和面阵型两种。线阵型CCD常用于扫描仪、传真机等设备。CCD摄像机、照相机就是通过透镜把外界的景像投射到二维MOS电容器面阵上，产生MOS电容器面阵的光电转换和记忆。（b）面阵CCD（a）线阵CCDCCD图像传感

4、器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。CCD图像传感器工作原理以简单三相CCD为例，在时刻t1，第一相时钟φ1处于高电压，φ2、φ3处于低电压，第一组电极1、4、7

5、……下面形成深势阱，在势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”,2、5、8……，3、6、9……未形成势阱。在t2时刻，φ1线性减少，φ2为高电压，φ3仍为低电压，在第一组电极下的势阱变浅，而第二组(2、5、8……)电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移。直到t3时刻，φ2为高电压，φ1、φ3为低电压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。（a）驱动信号（b）电荷转移CCD图像传感器工作原理上述CCD电荷转移过程也可用虹吸雨量收集作形象的类比。用雨滴表示光学图像中的光子，小盆表示传感器像元，盆深度表示像元容纳的电荷，虹吸泵表示

6、CCD的移位寄存器，雨量筒表示CCD的输出放大器。a）接受雨水b）雨水逐行收集c)收集完成等待下次收集色彩信息的获取CCD芯片按比例将一定数目的光子转换为一定数目的电子，但光子的波长，也就是光线的颜色，却没有在这一过程中被转换为任何形式的电信号，因此CCD无法区分颜色的，即获取的是灰度图像。为获取彩色图像，一种方法是采用分光棱镜和3个CCD器件。棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基本色分开，使其分别投射在一个CCD上，每个CCD就只对一种基本色分量感光。实际应用中的效果非常好，但结构复杂，价格昂贵。3CCD彩色成像原理图色彩信息的获取另一

7、种方式是采用单一CCD器件，将马赛克滤光片（也称拜尔滤镜，Bayerfilter）加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色（因为人眼对绿色比较敏感）。每个像素都接收到感光信号，但色彩分辨率不如感光分辨率。采用每四个感光单元为一组，分别获取G、B、R、G光度信号并合成为一个像素点色彩信息。单CCD彩色成像原理图单CCD彩色图像传感器结构CCD图像传感器的基本参数1.光谱灵敏度CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换能力。2.动态范围

8、表征同一幅图像中最强但未饱和的点与最弱点强度的比值。数字图像一般用DN表示。3.非均匀性CCD芯片全部像素对同一波长、同一强度信号响应能力的不一致性。CCD图像传感器的基本参数4.非线性度CCD芯片对于同一波长的输入信号，其输出信号强