项目7视觉传感器及其应用

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1、项目7视觉传感器及其应用7.1光导视觉传感器7.2CCD视觉传感器7.3CMOS视觉传感器7.4人工视觉7.5视觉传感器应用实例尼康D2X上所使用的CMOS索尼F828采用的“4色CCD”17.1光导视觉传感器光导视觉传感器主要用于光导式摄像机，这种摄像机是由接收部分、光电转换部分和扫描部分组成的二维视觉传感器。其光导摄像管是一种利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的真空或充气的光电器件。光导摄像管兼有光电转换功能和扫描功能，一般有真空光电管和充气光电管两类，或称电子光电管和离子光电管。2光电式摄像机工作原理▲光电式摄像机由接收部分、光电转换部分和扫描部分组成二维视觉传感器。其光

2、导摄像管是一种兼有光电转换功能和扫描功能的真空管。经透镜成像的光信号在摄像管的靶面上作为模拟量而被记忆下来。从阴极发射的电子束依次在靶面(光电转换面)上扫描，将视觉的光信号转换成时间序列的电信号输出。3光导摄像管构成原理4视觉传感器单个像素的光电变换原理▲光电靶面上每一个像素均可看作由电容C、光照时导电性增强的光电基元GL、不照射时也导电的暗电流基元GD等并联的电路。电子束扫描到该像素时开关S闭合，电容C在瞬间被Er充电，扫描移到邻近像素时，S打开。当S打开时，如有光照在GL上，将产生电荷，它同C上的电荷中和一部分。下次扫描到该点时S再次闭合，已被中和了的C又被充电，充电电流Ic流过RL。

3、电压IcRL同该点受光照射的强度有关，IcRL即为视觉的输出。57.2CCD视觉传感器哈苏3900万像素数码单反相机6PMT视觉传感器PMT是最早出现的视觉传感器，从上世纪五十年代发展到现在，技术已经非常成熟，是目前性能最好的传感器。PMT就像一个圆柱体小灯泡，直径约一寸，长度约二寸；内置多个电极，将进入的光信号转化为电信号，即使很微弱的光线也可准确补捉。类似小灯泡的传感器“PMT”7CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与电脑晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般这些感光二极管按照矩阵形式排列(富士公司的S

4、uperCCD除外)。CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD技术有了长足的进步，又由于CCD的体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的视觉传感器都是CCD。CCD视觉传感器87.2.1CCD电荷耦合器件CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS(金属一氧化物一半导体)电容器组成的阵列，用于实现光电转换、信号储存、转移、输出、处理及用作电子快门等。CCD特点：1）体积小重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。2）空间分辨率高。3）光电灵敏度高、动态范围大。4）模拟、数字输出方便；与微机接口方便。9CCD究竟是什么？CCD传感器又叫电荷耦合器，它是一

5、种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当于传统相机的胶卷。10CCD电极的基本构造11CCD电极的工作原理在CCD固体传感器的电极中，每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件（像素），假定半导体衬底是N型硅，当光照射到MOS电容器的N型硅衬底上时，会产生电子空穴对(光生电荷)，电子被栅极吸引存储在陷阱中。入射光强，则光生电荷多，入射光弱，则光生电荷少。无光照的MOS电容器则无光生电荷。这样把光的强弱变成与其成比例的电荷的多少，实现了光电转换。若停止光照，由于陷阱的作用，电荷在一定时间内也不会消失，可实现对光照的记忆。12二维MOS电容器面阵1311100万

6、像素CCD视觉传感器首款11100万像素CCD视觉传感器14MOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合而为一的结构，称为光积蓄式结构，这种结构最简单。但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间长得多，所以再生视觉往往产生“拖尾”，视觉容易模糊不清。另外，直接采用MOS电容器感光虽然有不少优点，但它对蓝光的透过率差，灵敏度低。现在更多地在CCD视觉传感器上使用的是光敏元件与移位寄存器分离式的结构。7.2.2CCD视觉传感器15P3P1P3P2P3P2P1P3P2P2电荷转移的控制方法，非常类似于步进电机的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。这里以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程

7、。见图：P1P1P2P2P3P3P1P1P1P2P2P3P3P1(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)t=t0t=t1t=t2t=t30电荷的定向转移16二相驱动视频输出行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1P2P3P1P2P3P1P2P3感光区存储区析像单元视频输出输出栅串行读出(a)(b)面阵CCD视觉传感器结构17光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)