《圖像傳感器》PPT課件講課稿

1、圖像傳感器PPT課件學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握常見CCD和CMOS圖像傳感器的基本工作原理、主要參數(shù)及選型方法。了解圖像傳感器的一般應(yīng)用，能進(jìn)行簡(jiǎn)易圖像檢測(cè)系統(tǒng)的操作，如圖像獲取與顯示、圖像識(shí)別等。能夠根據(jù)工作任務(wù)，檢索文獻(xiàn)、查找閱讀資料（含英文資料）以獲得有用的信息； 能自主學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)，具有綜合與創(chuàng)新能力 。專業(yè)能力方法能力第七章 圖像傳感器 CMOS圖像傳感器2 實(shí)訓(xùn)課題 機(jī)器人智能視覺4 CCD圖像傳感器1 本章小結(jié)5 圖像傳感器的應(yīng)用3圖像傳感器 視覺獲取的信息占人類所能獲取的信息總量的80%以上，作為視覺系統(tǒng)的延伸，圖像檢測(cè)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活發(fā)揮出越來越重要的作用。 圖像檢測(cè)采用圖像傳

2、感器將被檢測(cè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長(zhǎng)度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無(wú)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別功能。圖像傳感器 圖像檢測(cè)系統(tǒng)按功能可劃分為圖像輸入（圖像檢測(cè)）、圖像處理及圖像輸出組成。 7.1 CCD圖像傳感器 CCD圖像傳感器由電荷耦合器件（Charge Coupled Device）制成，因集成度高，功耗小、耐沖擊、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真、通信等領(lǐng)域。 在硅襯底上

3、生長(zhǎng)一層很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。該柵極和硅襯墊就形成了規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD電荷耦合器件芯片。 CCD器件CCD有線針型和面陣型兩種。線陣型CCD常用于掃描儀、傳真機(jī)等設(shè)備。CCD攝像機(jī)、照相機(jī)就是通過透鏡把外界的景像投射到二維MOS電容器面陣上，產(chǎn)生MOS電容器面陣的光電轉(zhuǎn)換和記憶。 （b）面陣CCD （a）線陣CCD CCD圖像傳感器工作原理 一個(gè)完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。 CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換

4、為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。 移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號(hào)可接到示波器、圖象顯示器或其他信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。 CCD圖像傳感器工作原理以簡(jiǎn)單三相CCD為例，在時(shí)刻t1，第一相時(shí)鐘1處于高電壓，2、3處于低電壓，第一組電極1、4、7下面形成深勢(shì)阱，在勢(shì)阱中可以貯存信號(hào)電荷形成“電荷包”, 2、5、8，3、6、9未形成勢(shì)阱 。 在t2時(shí)刻，1線性減少，2為高電壓，3仍為低電壓，在第一組電極下的勢(shì)阱變淺，而第二組(2、5、8)電極下形成深勢(shì)阱，信息電荷從第

5、一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移。直到t3時(shí)刻，2為高電壓，1、3為低電壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電極下面。 （a） 驅(qū)動(dòng)信號(hào) （b）電荷轉(zhuǎn)移 CCD圖像傳感器工作原理上述CCD電荷轉(zhuǎn)移過程也可用虹吸雨量收集作形象的類比。用雨滴表示光學(xué)圖像中的光子，小盆表示傳感器像元，盆深度表示像元容納的電荷，虹吸泵表示CCD的移位寄存器，雨量筒表示CCD的輸出放大器 。 a） 接受雨水b）雨水逐行收集 c) 收集完成等待下次收集 色彩信息的獲取CCD 芯片按比例將一定數(shù)目的光子轉(zhuǎn)換為一定數(shù)目的電子，但光子的波長(zhǎng)，也就是光線的顏色，卻沒有在這一過程中被轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號(hào)，因此 CCD 無(wú)法區(qū)分顏色的，即獲取的是

6、灰度圖像。 為獲取彩色圖像，一種方法是采用分光棱鏡和3個(gè)CCD器件。棱鏡將光線中的紅、綠、藍(lán)三個(gè)基本色分開，使其分別投射在一個(gè) CCD 上，每個(gè) CCD 就只對(duì)一種基本色分量感光。實(shí)際應(yīng)用中的效果非常好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。 3CCD彩色成像原理圖 色彩信息的獲取另一種方式是采用單一CCD器件，將馬賽克濾光片（也稱拜爾濾鏡，Bayer filter）加裝在CCD上。每四個(gè)像素形成一個(gè)單元，一個(gè)過濾紅色、一個(gè)過濾藍(lán)色，兩個(gè)過濾綠色（因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色比較敏感）。每個(gè)像素都接收到感光信號(hào)，但色彩分辨率不如感光分辨率。采用每四個(gè)感光單元為一組，分別獲取G、B、R、G光度信號(hào)并合成為一個(gè)像素點(diǎn)色彩信息

7、。 單CCD彩色成像原理圖 單CCD彩色圖像傳感器結(jié)構(gòu) CCD圖像傳感器的基本參數(shù)1. 光譜靈敏度 CCD的光譜靈敏度取決于量子效率、波長(zhǎng)、積分時(shí)間等參數(shù)。量子效率表征CCD芯片對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換能力。2. 動(dòng)態(tài)范圍 表征同一幅圖像中最強(qiáng)但未飽和的點(diǎn)與最弱點(diǎn)強(qiáng)度的比值。數(shù)字圖像一般用DN表示。 3. 非均勻性 CCD芯片全部像素對(duì)同一波長(zhǎng)、同一強(qiáng)度信號(hào)響應(yīng)能力的不一致性。CCD圖像傳感器的基本參數(shù)4. 非線性度 CCD芯片對(duì)于同一波長(zhǎng)的輸入信號(hào)，其輸出信號(hào)強(qiáng)度與輸入信號(hào)強(qiáng)度比例變化的不一致性。5. 分辨率 包括灰度值分辨率和空間分辨率。 灰度值分辨率是利用圖像多級(jí)亮度來表示分辨率的方法

8、，機(jī)器能分辨給定點(diǎn)的測(cè)量光強(qiáng)度，所需光強(qiáng)度越小則灰度值分辨率就越高，一般采用256級(jí)灰度值，它具有很強(qiáng)的精確區(qū)別目標(biāo)特征的能力； 空間分辨率是指CCD分辨精度的能力，通常用像素來表示，即規(guī)定覆蓋原始圖像的柵網(wǎng)的大小，柵網(wǎng)越細(xì)，網(wǎng)點(diǎn)和像素越高，說明CCD的分辨精度越高。 7.2 CMOS圖像傳感器 采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）制造工藝制造，優(yōu)點(diǎn)是功耗小，成本低，速度快 ；缺點(diǎn)：分辨率低，動(dòng)態(tài)范圍小，光照靈敏度弱，圖像質(zhì)量差 。 類別CMOS圖像傳感器CCD圖像傳感器靈敏度高高信噪比良優(yōu)動(dòng)態(tài)范圍小大最大幀頻

9、1000fps（幀/秒）30fps（幀/秒）集成度高低加工工藝通用工藝特殊工藝電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單復(fù)雜模塊體積小大可靠性高低成本低高CMOS圖像傳感器的組成 CMOS 圖像傳感器一般由光敏單元陣列（像元陣列）、行選通邏輯、列選通邏輯、定時(shí)和控制電路，片上模擬信號(hào)處理器構(gòu)成。更高級(jí)的CMOS 圖像傳感器還集成有片上A/D轉(zhuǎn)換器，將光敏感光單元（光電二極管）陣列、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器行陣列驅(qū)動(dòng)器、列時(shí)序控制邏輯單元、數(shù)據(jù)總線輸出接口以及控制接口等部分采用傳統(tǒng)的芯片工藝方法集成在一塊硅片板上。 a) 常用CMOS圖像傳感器組成 b) 帶A/D的CMOS圖像傳感器組成 CMOS圖像傳感器的像

10、元結(jié)構(gòu) CMOS圖像傳感器的每一個(gè)基本感光單元也稱為像素單元（簡(jiǎn)稱為像素或像元），主要是以MOS電容和P-N結(jié)光敏二極管組成，采用陣列式結(jié)構(gòu)，有線型和面型之分。 CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)目前主要有無(wú)源像素圖像傳感器和有源像素圖像傳感器兩種 。 無(wú)源像素圖像傳感器信噪比低、成像質(zhì)量差，所以目前絕大多數(shù)CMOS圖像傳感器采用的是有源像素圖像傳感器結(jié)構(gòu)。 無(wú)源型像素單元 CMOS圖像傳感器的像元結(jié)構(gòu) 光敏二極管型有源像素單元 光柵型有源像素單元 對(duì)數(shù)有源像素單元 CMOS圖像傳感器的工作原理 電荷存儲(chǔ)和傳輸?shù)墓ぷ骰驹硎牵合葘⒐饷舳O管的PN結(jié)反向偏置到某一固定電壓，然后斷開，存儲(chǔ)在光敏二極管電

11、容上的電荷的衰減速度與入射光照度成比例。經(jīng)過一定的積分時(shí)間后，讀出二極管兩端的電壓。讀出結(jié)束后，再通過開關(guān)使二極管兩端的恢復(fù)到原來的電壓。 1. 首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”。這時(shí)打開行選通場(chǎng)效應(yīng)管M，電源向電容C充電至固定電壓Ur，光敏二極管D處于反向狀態(tài)； 2. 然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”。這時(shí)關(guān)閉場(chǎng)效應(yīng)管M，在光照下二極管產(chǎn)生光電流，使電容上存貯的電荷放電，經(jīng)過一個(gè)固定時(shí)間間隔后，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時(shí)就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中； 3. 最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”。再打開場(chǎng)效應(yīng)管M，逐個(gè)讀取各像素中電容C上存貯的電荷電壓。 CMOS圖像傳感器的工作流程CMOS圖像傳感器的應(yīng)用攝

12、像頭7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 光路圖 結(jié)構(gòu) 掃描儀 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 數(shù)碼攝像機(jī) 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 數(shù)碼相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 CMOS數(shù)碼相機(jī)圖像工作原理 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 CMOS數(shù)碼相機(jī)圖像工作原理 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 工件尺寸測(cè)量 根據(jù)工件成像輪廓覆蓋的光敏單元數(shù)量來計(jì)算工件尺寸數(shù)據(jù)。例如，在光學(xué)系統(tǒng)放大率為1：M的裝置中，有 L=（Nd2d）M式中 L工件尺寸；N覆蓋的光敏單元數(shù)；d 相鄰光敏單元中心距離。7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 生產(chǎn)線工件質(zhì)量檢測(cè) 廢料收集桶傳輸鏈控制柜冷卻臺(tái)CCD檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)器人壓鑄機(jī)安全門工作區(qū)域圍擋7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 鈔票檢查系統(tǒng)

13、7.3 圖像傳感器的應(yīng)用 防盜檢測(cè)7.3 圖像傳感器的應(yīng)用字符識(shí)別 牌照識(shí)別7.3 圖像傳感器的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人焊錫系統(tǒng) 通過人工將散熱片、IGBT、PCB板固定到基板的過程存在不確定性因素，將會(huì)造成IGBT的待焊接管腳的空間位置不固定。為保證焊接質(zhì)量，須配置視覺系統(tǒng)。 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人焊錫系統(tǒng)組成圖 7.3 圖像傳感器的應(yīng)用機(jī)器人視覺控制系統(tǒng)原理圖 7.4 實(shí)訓(xùn)課題 機(jī)器人智能視覺 機(jī)器人智能視覺系統(tǒng)是由視覺控制器、及監(jiān)視顯示器等組成。CCD圖像傳感器用于識(shí)別工件的特性，如數(shù)字、顏色、形狀、姿態(tài)方位等，提供機(jī)器人所需的裝配信息，比如讓機(jī)器人按工件序號(hào)、顏色將工件放置到相應(yīng)工/

14、庫(kù)位，對(duì)工件放置的姿態(tài)方位進(jìn)行調(diào)整等。 視覺控制器 CCD圖像傳感器 7.4 實(shí)訓(xùn)課題 機(jī)器人智能視覺 CCD圖像傳感器機(jī)器人本體工件組裝單元顯示器視覺控制器機(jī)器人智能視覺系統(tǒng) 實(shí)訓(xùn)操作 打開電源，啟動(dòng)視覺控制器，系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)運(yùn)行智能視覺軟件并進(jìn)入軟件主畫面 。dfecbaa-菜單欄 b-測(cè)量信息顯示區(qū)域 c-工具欄d-圖像顯示區(qū)域 e-控制區(qū)域 f-測(cè)量管理欄主畫面實(shí)訓(xùn)操作 單擊“場(chǎng)景切換”，在對(duì)話框中選擇一個(gè)場(chǎng)景，然后確定，新建一個(gè)場(chǎng)景。 場(chǎng)景切換 實(shí)訓(xùn)操作 在主界面單擊“流程編輯”，進(jìn)入流程編輯界面，進(jìn)行流程編輯。 流程編輯 實(shí)訓(xùn)操作 單擊“分類”圖標(biāo)，進(jìn)入設(shè)置界面在“分類”界面先設(shè)置“模型參數(shù)”，在初始狀態(tài)下設(shè)定，選擇“旋轉(zhuǎn)”，還要設(shè)定旋轉(zhuǎn)范圍、跳躍角度、穩(wěn)定度和精度等。 模型登錄參數(shù)設(shè)置 實(shí)訓(xùn)操作 進(jìn)入“模型登錄”界面，單擊左邊圖形圖標(biāo)，在右邊顯示界面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)圓圈，移動(dòng)圓圈把數(shù)字圈在中間，設(shè)置測(cè)量區(qū)域，單擊“確定”就可以一個(gè)工件的登錄工作，并回到分類界面。 模型登錄界面 實(shí)訓(xùn)操作 完成一個(gè)模型登錄實(shí)訓(xùn)操作 回到主界面，取已建立模型庫(kù)的任一顏色的工件，鏡頭對(duì)準(zhǔn)工件，單