《傳感器及應(yīng)用（第三版）》 課件 模塊七　圖像檢測

模塊七圖像檢測551課題二光纖傳感器課題一固態(tài)圖像傳感器視覺獲取的信息占人類所能獲得信息總量的80%以上，作為視覺的延伸，圖像檢測在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得以圖像傳感器為核心的圖像檢測技術(shù)日新月異，并通過與跨平臺的視頻、影音、通信技術(shù)整合，為人類未來生活勾勒出更加美好的景象。553圖像檢測實例a）小包裝外觀質(zhì)量在線檢測b）數(shù)碼相機課題一固態(tài)圖像傳感器554學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解圖像檢測的基本知識。

掌握固態(tài)圖像傳感器的分類、原理、結(jié)構(gòu)和功能特點。

了解視覺傳感器和智能視覺檢測的基本知識。

能根據(jù)需求正確選用固態(tài)圖像傳感器。555知識引入市場上琳瑯滿目的數(shù)碼產(chǎn)品中，無論是小巧迷你的手機攝像頭，還是功能齊全的數(shù)碼相機，都是一套完整的圖像檢測系統(tǒng)，都能夠感受外界圖像傳遞過來的光線，利用轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)加工處理后得到清晰的圖像。數(shù)碼相機以其出色的拍攝效果和方便的圖像處理將人們帶入了電子相冊時代。在數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)中，作為感官的圖像傳感器起到至關(guān)重要的作用。556知識講解一、圖像檢測基本知識1.光電效應(yīng)人眼會將獲得的信息傳入大腦，由大腦結(jié)合人類知識經(jīng)驗分析并處理信息，完成信息圖像記錄。光照射在物體上會產(chǎn)生一系列物理或化學(xué)效應(yīng)，如光合作用、人眼的感光效應(yīng)、取暖時的光熱效應(yīng)等，通常把光照射到某個物體上，物體吸收光的能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是圖像檢測的基礎(chǔ)。5572.圖像檢測系統(tǒng)的組成圖像檢測系統(tǒng)是采用圖像傳感器攝取圖像的相關(guān)信息，利用轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再用計算機軟、硬件對信號進行處理，得到需要的最終圖像或通過識別、計算后獲取進一步信息的檢測系統(tǒng)，其組成如圖所示。作為“光→電”轉(zhuǎn)換關(guān)鍵環(huán)節(jié)的圖像傳感器，無疑在其中扮演著重要的角色。558圖像檢測系統(tǒng)的組成3.圖像傳感器圖像傳感器是利用光敏元器件的光電轉(zhuǎn)換功能，將光敏元器件感光面上感受到的光線圖像轉(zhuǎn)換為成一定比例關(guān)系的電信號并做相應(yīng)處理后輸出的功能器件，它能夠?qū)崿F(xiàn)圖像信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展。隨著圖像檢測對圖像傳感器要求的增強和專門化，圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和功能呈現(xiàn)出較大差別，既有結(jié)構(gòu)簡單、芯片級的固態(tài)圖像傳感器，又有功能完善、應(yīng)用級的光纖圖像、紅外線圖像傳感器以及機器視覺傳感器等。559二、固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器是數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機的關(guān)鍵零件，因常用于攝像領(lǐng)域，又被稱為攝像管，如圖所示。它在工業(yè)測控、字符閱讀、圖像識別、醫(yī)療儀器等方面得到廣泛應(yīng)用。560固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器具有兩個基本功能：一是具有把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能；二是具有將平面圖像上的像素進行點陣取樣，并將其按時間取出的掃描功能。固態(tài)圖像傳感器目前主要分為電荷耦合式圖像傳感器（CCD圖像傳感器）、CMOS圖像傳感器和接觸式影像傳感器（CIS）三類，其中前兩種類型占據(jù)市場主流。5611.CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器一般指CCD感光元件，又稱為電荷耦合元件。CCD圖像傳感器是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，是一種在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，具有存儲、轉(zhuǎn)移并讀出信號電荷功能的半導(dǎo)體功能器件，其外形如圖所示。這種傳感器可分為線型與面型兩種，前者應(yīng)用于影像掃描器及傳真機上，后者則主要應(yīng)用于數(shù)碼相機（DSC）、攝錄影機、監(jiān)控攝影機等影像輸入產(chǎn)品中。兩種類型的組成單元都是電荷耦合元件。562563CCD圖像傳感器（1）MOS電容MOS電容是電荷耦合元件的基本組成部分。一般在半導(dǎo)體硅片上制有幾百、甚至上千個相互獨立的MOS電容，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列，組成CCD圖像傳感器。日常所說的像素是指構(gòu)成圖像中的最小單位。圖像是由很多色點拼湊形成的，將圖片在計算機上放大后，可以看見許多小方塊，每一個小方塊點就是像素，在CCD圖像傳感器中一個像素就是一個MOS電容。564圖所示為MOS電容的結(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體基片上形成一層氧化物，在氧化物上再沉積一層金屬電極，從而形成金屬電極-氧化物-半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，即MOS電容。565MOS電容的結(jié)構(gòu)因P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，當(dāng)向金屬電極上施加正向電壓時，在電場力作用下，電極下面的P型半導(dǎo)體區(qū)域中的空穴被趕盡，從而形成耗盡區(qū)。對帶電粒子而言，耗盡區(qū)是一個勢能很低的區(qū)域———勢阱。如果有光線入射到半導(dǎo)體硅片上，在光線中能量的激發(fā)下，硅片上會形成電子（光生電子）和空穴。光生電子被附近的勢阱所吸收，空穴則被電場排斥出耗盡區(qū)。因為勢阱內(nèi)吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光照強度成正比，通常又稱這種MOS電容為MOS光敏電容，或稱像素。566因半導(dǎo)體硅片上制有幾百、甚至上千個相互獨立的MOS電容，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列，如果在金屬電極上施加一正電壓，則在該半導(dǎo)體硅片上就形成很多相互獨立的勢阱。當(dāng)照射在這些電容上的是一幅明暗起伏的圖像時，則在這些電容上就會感應(yīng)出與光照強度相對應(yīng)的光生電荷，這就是電荷耦合元件光電效應(yīng)的基本原理。567讀出移位實質(zhì)上是勢阱中電荷轉(zhuǎn)移輸出的過程。讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)如圖所示，在半導(dǎo)體的底部覆蓋一層遮光層，以防止外來光線的干擾，上部由三個鄰近的電極組成一個耦合單元。568讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)（2）CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)及類型MOS電容在光照情況下產(chǎn)生光生電荷，在三相時序脈沖的控制下轉(zhuǎn)移輸出的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是一種電荷耦合元件與移位寄存器合二為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)最簡單，但容易產(chǎn)生“拖尾”現(xiàn)象，圖像模糊不清，同時靈敏度較低。因此，現(xiàn)在CCD圖像傳感器上更多采用電荷耦合元件與移位寄存器分離的方式。這種結(jié)構(gòu)用光敏二極管陣列作為感光元件。光敏二極管在受到光照時，產(chǎn)生對應(yīng)于入射光量的電荷，經(jīng)電注入法引入CCD敏感元件陣列的勢阱中，便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。它的靈敏度高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，強光下不會燒傷感光面。569（3）CCD圖像傳感器的選擇CCD圖像傳感器在選擇時主要考慮的因素如下。1）采樣頻率的選擇。根據(jù)采樣定理，若已知圖像的最大空間頻率為k（線/mm），則采樣頻率應(yīng)大于2k。2）合理選擇動態(tài)特性，保證轉(zhuǎn)換后的圖像不失真。若CCD的動態(tài)響應(yīng)截止頻率為f，則所測量的圖像光強隨時間變化的頻率不能大于2f。5702.CMOS圖像傳感器（1）CMOS圖像傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及類型CMOS和CCD圖像傳感器使用相同的光敏材料，受光后產(chǎn)生電子的原理相同，并且具有相同的靈敏度和光譜特性。但是，在CMOS圖像傳感器中，勢阱中積聚的電荷不是通過移位寄存器讀出的，而是立即被MOS電容中的放大器檢測到，通過直接尋址方式讀出信號。它的主要優(yōu)勢是成本低，功耗低，數(shù)字接口簡單，且通過系統(tǒng)集成可實現(xiàn)小型化和智能化。571CMOS圖像傳感器的芯片一般由光敏像素陣列、行選通譯碼器、列選通譯碼器、定時與控制電路、模擬信號處理器、列平行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、存儲器與讀出譯碼器等構(gòu)成，如圖所示。572CMOS圖像傳感器芯片結(jié)構(gòu)（2）CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)參數(shù)CMOS圖像傳感器的暫態(tài)讀噪聲、固定模式噪聲和傳感器的感光速度對圖像質(zhì)量有嚴(yán)重影響，因而也影響圖像輸出顯示和打印的效果。暫態(tài)讀噪聲是與時間無關(guān)的信號電平隨機波動，它由基本噪聲和電路噪聲源產(chǎn)生。固定模式噪聲是指非暫態(tài)空間噪聲，產(chǎn)生原因包括像素和色彩濾波器之間的不匹配、列放大器的波動、可編程增益放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的不匹配等。CMOS圖像傳感器的感光速度是由滿足給定信噪比的圖像質(zhì)量所需要的曝光等級值估計得到的。5733.固態(tài)圖像傳感器的比較CCD圖像傳感器一般被認(rèn)為具有以下優(yōu)點。（1）高分辨率：像素大小為μm級，可感測及識別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)。（2）高靈敏度：具有很低的讀出噪聲和暗電流噪聲，信噪比高，從而具有高靈敏度。（3）動態(tài)范圍廣：可同時感知及分辨強光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍。574（4）線性良好：入射光源強度和輸出信號大小成良好的正比關(guān)系，降低了信號補償處理的成本。（5）大面積感光：利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的CCD晶片。（6）低影像失真：使用CCD圖像傳感器，其影像處理不會有失真的情形，可真實反映原始圖像。但是這種傳感器的缺點也很明顯，表現(xiàn)在CCD圖像傳感器不能提供隨機訪問，影響了成像速度；需要復(fù)雜的時鐘芯片，制造成本高；輔助功能電路難以與CCD集成到一塊芯片上，造成CCD圖像傳感器大多需要三種電源供電，功耗大，體積大。575與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有以下優(yōu)點。（1）系統(tǒng)集成度高：能在同一個芯片上集成各種信號和圖像處理模塊，如運算放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、彩色處理和數(shù)據(jù)壓縮電路、計算機I/O接口等，形成單片數(shù)字成像系統(tǒng)。（2）功耗低：只需單一電壓供電，靜態(tài)功耗幾乎為零，其功耗僅相當(dāng)于CCD功耗的1/8，有利于延長便攜式、機載或星載電子設(shè)備的使用時間。（3）成像速度快：CCD圖像傳感器采用串行連續(xù)掃描的工作方式，必須一次性讀出整行或整列的像素值，而CMOS圖像傳感器可以在每個像素掃描的基礎(chǔ)上同時進行信號放大，成像速度更快。576（4）響應(yīng)范圍寬：CMOS圖像傳感芯片除了可見光外，對紅外線等非可見光波也有反應(yīng)。在890~980nm范圍內(nèi)其靈敏度比CCD圖像傳感芯片的靈敏度要高出許多，隨波長增加而衰減的速度也慢一些。（5）抗輻射性強：由于CCD圖像傳感器的像素由MOS電容構(gòu)成，電荷激發(fā)的量子效應(yīng)易受輻射線的影響，而CMOS圖像傳感器的像素由光電二極管或光柵構(gòu)成，抗輻射能力比CCD圖像傳感器高數(shù)十倍。（6）成本低：CMOS圖像傳感器制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單，成品率高。由于CCD存在一些技術(shù)上無法克服的缺點，且隨著CMOS工藝和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，因此，CMOS圖像傳感器逐漸成為圖像顯示領(lǐng)域的研究熱點。577三、視覺傳感器作為一種應(yīng)用級的產(chǎn)品，視覺傳感器是固態(tài)圖像傳感器成像技術(shù)和Framework軟件結(jié)合的產(chǎn)物，它可以識別條形碼和任意OCR字符，其外形如圖所示。578視覺傳感器與傳統(tǒng)的光電傳感器相比，視覺傳感器賦予機器設(shè)計者更大的靈活性。光電傳感器包含一個光傳感元件，而視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計像素的能力。以往需要多個光電傳感器才能完成的工作，現(xiàn)在可以用一個視覺傳感器來完成。它能夠檢驗大得多的面積，并實現(xiàn)了更佳的目標(biāo)位置和方向靈活性。這使視覺傳感器在某些只有依靠光電傳感器才能解決的應(yīng)用中受到廣泛歡迎。下面用一個例子對其應(yīng)用進行說明。579圖所示為煙草包裝生產(chǎn)線，它的自動化程度很高，機器包裝好的煙盒以500盒/分鐘的速度經(jīng)傳送帶輸出。580煙草包裝生產(chǎn)線四、智能視覺檢測1.計算機視覺檢測計算機視覺檢測技術(shù)是建立在計算機視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興檢測技術(shù)。它利用計算機視覺研究成果，采用圖像傳感器來實現(xiàn)對被測物體的尺寸及空間位置的三維測量，由計算機對標(biāo)準(zhǔn)圖像和故障圖像進行比對，或直接從圖像中提取信息，根據(jù)判別結(jié)果控制設(shè)備動作。這種方式常作為計算機輔助質(zhì)量系統(tǒng)的信息來源，或者和其他控制系統(tǒng)集成，能較好地滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展需求。這種基于視覺傳感器的智能檢測系統(tǒng)具有抗干擾能力強、效率高、組成簡單等優(yōu)點，非常適合生產(chǎn)現(xiàn)場的在線、非接觸檢測及監(jiān)控。圖所示為計算機視覺檢測系統(tǒng)。581582計算機視覺檢測系統(tǒng)目前這種檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要是質(zhì)量檢測、醫(yī)學(xué)輔助診斷、機器人的手眼系統(tǒng)、精確制導(dǎo)、三維形狀分析與識別等。與一般圖像檢測相比，計算機視覺檢測技術(shù)更強調(diào)精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。利用計算機視覺技術(shù)來檢測產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠代替人眼在高速、大批量、連續(xù)自動化生產(chǎn)流水線上進行在線檢測，具有測量過程非接觸，迅速、方便，可視化，自動識別，結(jié)果量化，定位準(zhǔn)確，自動化程度高等優(yōu)點，典型應(yīng)用如郵政自動分揀系統(tǒng)。5832.機器人視覺檢測機器人視覺檢測系統(tǒng)一般指與機器人配合使用的工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)。把視覺檢測系統(tǒng)引入機器人以后，可以極大地擴提高機器人的使用性能，使機器人在完成指定任務(wù)的過程中具有更好的適應(yīng)性。機器人視覺檢測系統(tǒng)除要求價格合理外，還有對目標(biāo)的辨別能力、實時性、可靠性等方面的要求。視覺傳感器是視覺檢測系統(tǒng)的核心，既要容納進行輪廓測量的各種光學(xué)、機械、電子、敏感器等各方面的元器件，又要體積小、質(zhì)量輕。視覺傳感器通常包括激光器、掃描電動機及掃描機構(gòu)、角度傳感器、線性圖像傳感器及其驅(qū)動板和各種光學(xué)組件?？梢钥闯?，機器人視覺傳感器是圖像傳感器和機電、光學(xué)設(shè)備的綜合部件。機器人視覺傳感器是非接觸型的，它是電視攝像機等技術(shù)的綜合，是機器人眾多傳感器中最穩(wěn)定的傳感器。584圖所示為機器人視覺檢測系統(tǒng)。585機器人視覺檢測系統(tǒng)課題二光纖傳感器586學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解光纖傳遞的基本知識。

了解光纖傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及分類。

能正確選擇光纖傳感器。587知識引入光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，與以電為基礎(chǔ)的傳感器有著本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒介，具有電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、高靈敏度、容易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控等特點，適用于測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力等物理量。588光纖傳感器可在人無法到達的地方（如高溫區(qū)）或?qū)θ擞泻Φ牡貐^(qū)（如核輻射區(qū)）發(fā)揮探測作用，可以超越人的感官界限，接收無法感受到的外部信息，利用成像、傳像技術(shù)，使原本不可見區(qū)域變?yōu)榭梢?。例如，檢測薄鋼管內(nèi)部的劃痕，探查腔體鑄件內(nèi)部缺陷，檢查高輻射區(qū)核電設(shè)備的內(nèi)部狀況等。汽車發(fā)動機汽油燃燒不充分會產(chǎn)生積炭現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動機動力不足，為了確定發(fā)動機內(nèi)部是否清洗干凈，經(jīng)常用光纖傳感器探入發(fā)動機內(nèi)部進行檢測。589知識講解一、光纖傳遞的基本知識1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)如圖所示，光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯（纖芯）和玻璃包皮（包層）兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。590光纖的結(jié)構(gòu)2.光纖導(dǎo)光原理對于多模光纖，可以用幾何光學(xué)的方法分析光的傳播現(xiàn)象。此時，光在兩層結(jié)構(gòu)之間的界面上靠全反射進行傳播，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進行傳播，沒有跑到包層中去，所以可以