视觉传感器

视觉传感器 人类凭借视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这五种感觉器官从外界直接获取信息，再通过大脑分析和判断后作出相应反应。随着科技技术的发展和人类社会的进步，人类在认识和改造自然的活动中，单靠自身的感觉器官已远不能满足要求。因此，一系列代替、加强和补充人类感觉器官功能的方法和手段应运而生，出现了各种用途的传感器，也称之为电五官。传感器是人类在当今信息时代准确可靠地获取自然和生产领域相关信息的主要工具，它在工农业生产、航空航天、海洋探测与开发、资源和环境保护和利用以及生物医学工程等诸多领域有着广泛的应用，在提高基础科学研究水平，发展经济和推动社会进步方面有着重要的作用。在某种程度上说，机械延伸了人体的体力，计算机延伸了人类的智力，而传感器则延伸了人类的感知力。传感器的发展推动着生产和科技的进步，生产和科技的进步反过来也要求和支持着传感器的发展和进步。 人们通过感官从自然界获取各种信息，其中以人的视觉获取的信息量最多，约占信息总量的80%。人的视觉是以光为刺激源的一种感觉，人的眼睛是一个光接受系统，即外界信息由光的作用以影像的方式投射到人类的视网膜上，这一影像信息传输到大脑而引起反映和做出判断，这一过程就是一个视觉过程。 视觉传感器是指：具有从一整幅图像捕获光线的数发千计像素的能力,图像的清晰和细腻程度常用分辨率来衡量,以像素数量表示,邦纳工程公司提供的部分视觉传感器能够瞧捕获130万像素,因此,无论距离目标数米或数厘米远,通过传感器都能看到细腻的目标图像,视觉传感器应用其本要素是掌握如何应用视觉传感器的两个关键点的照明和软件工具。 视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在 360 度范围内旋转，视觉传感器都能做出判断。 视觉传感器可以扩展人的视觉范围，使人们看到视觉范围以外的微观世界和宏观世界。由于客观世界中物体的形态和特征是相当复杂的，所以单独利用在光电技术基础上发展起来的视觉传感器来实现对三维物体的识别，目前在技术上还存在着很大的难度和诸多挑战。但视觉技术的发展，虽然时间短但速度很快，信息摄取方法已由一维信息处理发展到二维及三维复杂图像处理，敏感器件已有由简单的一维光电管线阵发展到二维光电耦合器件（CCD） 面阵。利用CCD类器件制成的视觉传感器有较高的几何精度、更大的光谱范围、更高的灵敏度和扫描速率，其结构尺寸小、功耗低，并且工作可靠。 CCD是利用内光电效应，由单个光敏单元集成的一种光传感器，它集电荷存储、移位和输出为一体。单个光敏单元叫像素，它以一定尺寸大小按某一规则进行排列，从而组成CCD线阵或面阵。CCD有两种基本类型：一种是光生电荷存储在半导体与绝缘体的界面上，并沿界面转移，称作表面沟道电荷耦合器件（SCCD）；另一种是光生电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在体内沿一定的方向转移，称作体沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）。下面以SCCD为例，讨论CCD的工作原理。 组成CCD的基本单位是MOS光敏单元，是一种金属-氧化物-半导体结构的电容器。在一个P型Si基片上热氧化生成约0.1微米厚的氧化层，再在SiO2层上沉积一层金属电极构成一个孤立的MOS电容器，电容器的间隔大约1～3微米。光照射到CCD光敏单元上，栅极附近硅层产生电子穴（空穴）被栅极电压所决定的电势排斥，少数载流子被收集在势场中，形成光生电荷。 光敏单元存储光生电荷的能力，取决于栅极上所加正阶跃电压U。当栅极未施加U时P型Si的空穴分布均匀，施加U后，空穴被排斥，产生耗尽区。增加U值，耗尽区向半导体内延伸。当U大于阈值电压时，氧化层对P型Si体内的电势足够大，形成一个稳定的耗尽区。此时，光生电子被耗尽区所吸收。 多个MOS光敏单元依次相邻排列（间隔1～3微米），耗尽区可以交叠，即发生势阱“耦合”。势阱中的电子（光生电荷）将在互相耦合的势阱间流动。三个相邻栅极分别加以时钟脉冲，按照驱动脉冲时序，栅极下光生电荷延半导体表面按一定方向逐个单元转移。 电荷注入方式分为光注入和电注入。CCD器件的光注入方式有3种，分别是正面照射方式、背面照射方式和微孔直接照射方式。正面照射方式是光子在栅极通过透明的SiO2绝缘层进入耗尽区；背面照射方式是光从基底射入耗尽区；微孔直接照射方式是在光敏单元的中心电极下开小孔，入射光直射到硅片上。由于CCD正面布置很多电极（金属栅极），电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射低，即使是透明的多晶硅电极，也会因为电极的吸收以及SiO2-Si界面上的多次反射而引起光波干涉，出现干涉条纹使光谱响应曲线出现起伏，所以背面照射方式比正面照射方式要好一些。 电注入就是CCD通过输入结构ID-IG对输入模拟信号（电压或电流）进行采样，然后将其转换为信号电荷注入响应势阱中。电注入二极管ID由N+扩散区和P基底构成，IG为CCD的输入栅极，其上加适当正偏压，保持开启并作为基准电压。输入模拟信号加到ID上，响应势阱保持高电平，通过PN结注入基底的电子流进入响应势阱中。 CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号转存器、信号放大器、数摸转换器等项目。 并行信号寄存器：用于暂时储存感光后产生的电荷。 并行信号转存器：用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大。 信号放大器：用于放大微弱电信号。 数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号。 数码相机的CCD由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层组成 1. 微型镜头 微型镜头为CCD的第一层，我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。 2. 分色滤色片 分色滤色片为CCD的第二层，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。 原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上 3. 感光层 感光层为CCD的第三层，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。 CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，二后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，民用产品。 CCD的基本特性参数： 1、响应度（光电转换因子）：k=I/Φ 2、光谱特性：响应度与入射光频率或波长的关系。 3、暗电流：没有光信号入射时，少数热电载流子聚集在电极下形成转移电流。 4、分辨率：分辨图像的能力。(N*p) 做大被测物尺寸： D=L/β=N*p/β L—最大成像尺寸 N—光敏单元数 P—光敏单元中心距 β—光学系统放大倍率 5、均匀性：各光敏单元对光强度相应的一致性。 CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。下面介绍几个CCD的应用 1、传真机数码机：传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周着复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。 2、CCD色彩数码机:一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。 “自动导星”技术：CCD导星装置 缓解干扰效应： CCD多次曝光，取其平均值