ccd圖像傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

1、ccd圖像傳感器基礎(chǔ)知識(shí)圖像傳感器圖像傳感器-Charged Coupled Device(電荷藕合器件圖像傳感器) CCD傳感器概論v電子耦合組件即charged coupled device，它就像傳統(tǒng)相機(jī)的底片一樣的感光系統(tǒng)，是感應(yīng)光線的電路裝置，你可以將它想象成一顆顆微小的感應(yīng)粒子，鋪滿在光學(xué)鏡頭后方，當(dāng)光線與圖像從鏡頭透過、投射到ccd表面時(shí)，ccd就會(huì)產(chǎn)生電流，將感應(yīng)到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成數(shù)碼資料儲(chǔ)存在相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡內(nèi)。ccd像素?cái)?shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會(huì)越清晰。CCD圖像傳感器的組成v第一層，微鏡頭；v第二層，濾色片；v第三層，感光元件. CCD圖像傳

2、感器的每一個(gè)感光元件由一個(gè)光電二極管和控制相鄰電荷的存儲(chǔ)單元組成光電管當(dāng)然是捕捉光子用的，它將光子轉(zhuǎn)化成電子，收集到的光線越強(qiáng)產(chǎn)生的電子數(shù)量就越多，電子信號(hào)強(qiáng)了當(dāng)然就越容易被記錄而越不容易丟失，圖像細(xì)節(jié)就更豐富了。 CCD傳感器是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的感光二極管組成，一般按照矩陣形式排列，相當(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)的膠卷。 目前，CCD的種類有很多，其中面陣型CCD是主要應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中。它是由許多單個(gè)感光二極管組成的陣列，整體呈正方形，然后像砌磚一樣將這些感光二極管砌成陣列來組成可以輸出一定解析度圖像的CCD傳感器。 CCD傳感器的成像原理是使用感光二極管將光線轉(zhuǎn)換為電荷，當(dāng)拍攝者對(duì)焦完畢按

3、下快門的時(shí)候，光線通過打開的快門（目前消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)基本都是采用電子快門）透過馬賽克色塊射入在CCD圖像傳感器上，感光二極管在接受光子的撞擊后釋放電子，所產(chǎn)生電子的數(shù)目與該感光二極管感應(yīng)到的光成正比。 當(dāng)本次曝光結(jié)束之后，每個(gè)感光二極管上含有不同數(shù)量的電子，而我們?cè)陲@示器上面看到的數(shù)碼圖像就是通過電子數(shù)量的多與少來進(jìn)行表示和儲(chǔ)存，然后控制電路從CCD中讀取圖像，進(jìn)行紅R、綠G和藍(lán)B三原色合成，并且放大和將其數(shù)字化，這些數(shù)字信號(hào)被存入數(shù)碼相機(jī)的緩存內(nèi)，最后寫入相機(jī)的移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)完成數(shù)碼相片的拍攝 。CCD傳感器有兩種第一、特殊CCD傳感器，如紅外CCD芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照式和

4、電子轟擊式CCD、EBCCD等，另外還有大靶面如20482048、40964096可見光CCD傳感器、寬光譜范圍（紫外光可見光近紅外光3-5m中紅外光8-14um遠(yuǎn)紅外光)焦平面陣列傳感器等。目前已有商業(yè)化產(chǎn)品,并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。 第二、通用型或消費(fèi)型CCD傳感器在許多方面都有較大地進(jìn)展，總的方向是提高CCD攝像機(jī)的綜合性能。 CCD傳感器技術(shù) 發(fā)展的五個(gè)趨勢(shì)vCCD傳感器的像面尺寸向集成化各輕量化方向的發(fā)展:v 由于制造CCD傳感器的硅片和加工成本都很高，所以很希望一片6.5英寸的硅片上光刻出更多的CCD傳感器芯片；以由于光刻機(jī)的進(jìn)步，所以在仍保持具有很高靈敏度的特性下，CCD傳感器的尺

5、寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向發(fā)展在1993年，1/2英寸的CCD傳感器占總產(chǎn)量的5%;1/4英寸的CCD傳感器占總產(chǎn)量的10%;1/3英寸的CCD傳感器占總產(chǎn)量的85%。 在1997年，在總產(chǎn)量比1993年增200%以上的情況下，1/2英寸的CCD傳感器仍有很大發(fā)展，已占總產(chǎn)量的15%（1/2英寸由于靶面較大仍有許多場(chǎng)合需要，尤其在科研領(lǐng)域中如MTV1881EX、MTV-2821CB攝像機(jī)）；1/4英寸的CD傳感占總產(chǎn)量的60%。也就是說，1/2英寸較大靶面尺寸CCD傳感器仍有很大增長(zhǎng)。vCCD傳感器向高素?cái)?shù)、多制式發(fā)展 各種CCD傳感器的像面尺寸在減少，但其像素?cái)?shù)

6、在增加，已由早期的512（H）596(V)向795（H）596（V）發(fā)展,甚至出現(xiàn)超過百萬像素的CCD傳感器。為提高水平方向和垂直方向的分辨能力，已從通常的隔行掃描向逐行掃描格式發(fā)展。v降低CCD傳感器的工作電壓、減少功耗 在初期研制的CCD攝像機(jī)有+24V、+22V、+17V和+5V等，目前通用的為+12V。為配合PC攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸?shù)膽?yīng)用，逐步以+12V和+5V兩種工作電壓為主。v提高CCD攝像機(jī)的制造效率 為了降低CCD攝像機(jī)的制造成本，實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化生產(chǎn)，制造廠家追求緊密性結(jié)構(gòu)，致力于CCD攝像機(jī)的小型化，即由Dip On Board（DOB）過錫板工藝改進(jìn)為Chip On Boa

7、rd（COB）板上連接IC芯片的貼片方式。到目前為止，已實(shí)現(xiàn)多層板的Multi Chip Module（MCM）多芯片集成模組化制造技術(shù)。 vCCD攝像機(jī)的數(shù)字化 在制造CCD攝像機(jī)時(shí)，從以往的Analog模擬系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)DSP數(shù)位化處理，可以借助電子計(jì)算機(jī)和專門軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD攝像機(jī)，特別是對(duì)彩色CCD攝像機(jī)的各種參數(shù)的量化調(diào)整，可以確保CCD攝像機(jī)性能指標(biāo)的優(yōu)化一致性以及在特殊使用條件下的參數(shù)量化修改。傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：v1.高解析度（High Resolution）：像點(diǎn)的大小為m級(jí)，可感測(cè)及識(shí)別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)。從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像

8、素?cái)?shù)目從初期的10多萬增加到現(xiàn)在的400500萬像素；v2.低雜訊（Low Noise）高敏感度：具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比（SNR），同時(shí)又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測(cè)到，其訊號(hào)不會(huì)被掩蓋，使的應(yīng)用較不受天候拘束；v3.動(dòng)態(tài)范圍廣（High Dynamic Range）：同時(shí)偵測(cè)及分辦強(qiáng)光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號(hào)反差現(xiàn)象。v4.良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強(qiáng)度和輸出訊號(hào)大小成良好的正比關(guān)系，物體資訊不致?lián)p失，降低信號(hào)補(bǔ)償處理成本；高光子轉(zhuǎn)換效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射

9、光照射都能被記錄下來，若配合影像增強(qiáng)管及投光器，即使在暗夜遠(yuǎn)處的景物仍然還可以偵測(cè)得到；v5.大面積感光（Large Field of View）：利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的D晶片，目前與傳統(tǒng)底片尺寸相當(dāng)?shù)?5mm的已經(jīng)開始應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中，成為取代專業(yè)有利光學(xué)相機(jī)的關(guān)鍵元件；光譜響應(yīng)廣（Broad Spectral Response）：能檢測(cè)很寬波長(zhǎng)范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域；v6.低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感測(cè)器，其影像處理不會(huì)有失真的情形，使原物體資訊忠實(shí)地反應(yīng)出v7.體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容

10、易地裝置在人造衛(wèi)星及各式導(dǎo)航系統(tǒng)上；v8.低秏電力，不受強(qiáng)電磁場(chǎng)影響；v9.電荷傳輸效率佳：該效率系數(shù)影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊；v10.可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用高速線陣高速線陣CCD IL-P1-4096 主要特點(diǎn)主要特點(diǎn) 高速線陣CCD IL-P1-4096是加拿DALSA公司生產(chǎn)的IL-P1系列圖像傳感器中的一種。該器件的像素尺寸是10mm、像素線陣長(zhǎng)度為41mm、相鄰像素間距也是10m。線陣列的像素共有4096個(gè)，分兩路輸出。 IL-P1-4096的主要性能參數(shù)如下： v 雙相輸出，每相輸出數(shù)

11、據(jù)頻率為25MHz；v 線掃描速率為87kHz；v 可使用低壓時(shí)序信號(hào)，時(shí)序信號(hào)電壓小于5V；v 像素尺寸為10m10m；v 每行4096個(gè)像素點(diǎn)；v 動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大于3200：1；v 靈敏度高，響應(yīng)可達(dá)到12V（uJ/cm2）;v 采用15V電壓供電；v 每行孤立像素為14個(gè)；v 每行屏蔽像素為32個(gè)。 IL-P1-4096 原理及組成原理 根據(jù)傳感器光敏單元（像素）上的感光變化，將對(duì)象圖像的感光變化轉(zhuǎn)化為電荷包。電荷包中電子的個(gè)數(shù)是由感光強(qiáng)度和CCD器件的光積分時(shí)間決定的。電荷包被收集到獨(dú)立的存儲(chǔ)井中，然后用像素復(fù)位時(shí)鐘來控制CCD器件的積分和曝光時(shí)間。 組成 IL-PI系列傳感器內(nèi)部由三

12、大主要功能塊組成：光電二極管、 CCD讀出移位寄存器和輸出放大器。其中光電二極管用來生成信號(hào)電荷包，輸出放大器用來將電荷轉(zhuǎn)化為電壓脈沖。 需要注意的是，IL -P1-4096傳感器是兩路輸出，奇像素和偶像素分別從不同的輸出通道輸出，是一種雙排的線列陣CCD，光敏單元在中間，奇、偶單元的信號(hào)電荷分別傳到上下兩列移位寄存器后分兩路串行輸出。這種CCD的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的封裝密度，轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，因而可提高轉(zhuǎn)移效率，改善圖像傳感器的信號(hào)質(zhì)量。IL-PI4096具體應(yīng)用具體應(yīng)用v IL-P1-4096的精度高、感光響應(yīng)快，在工業(yè)控制和測(cè)量領(lǐng)域（如流水線產(chǎn)品檢測(cè)、分類，文字與圖像的識(shí)別，機(jī)械產(chǎn)品尺寸非接

13、觸測(cè)量等），該器件具有很強(qiáng)的實(shí)用性。 v IL-PI4096的工作頻率要求很高、相位關(guān)系復(fù)雜，使用高速CPLD作為CCD的基本時(shí)序發(fā)生器。推薦設(shè)計(jì)時(shí)可使用Lattic公司的 ispMACH4000C/B/V系列芯片，該芯片的工作時(shí)鐘可以達(dá)到400MHz，完全可以滿足此CCD的工作時(shí)序要求。v 如圖所示是IL-P1-4096的具體應(yīng)用電路。從CPLD發(fā)送過來的基本時(shí)時(shí)鐘信號(hào)可通過簡(jiǎn)單電路進(jìn)行相位校正并提供驅(qū)動(dòng)電流，然后再送入CCD芯片。在Osn的輸出端。電路可通過幾個(gè)三極管組成的恒流源來提供CCD所需要的8mA驅(qū)動(dòng)電流。 CPLD和IL-P1-4096要盡可能靠近，直流電源的紋波最好不要超過10

14、mV。選用比較低的頻率來控制IL-P1-4096的工作，然后漸升高工作頻率。LK-G系列CCD激光位移傳感器v產(chǎn)品特性產(chǎn)品特性 全新開發(fā)的全新開發(fā)的Li-CCD （直線性（直線性CCD）高精度）高精度Ernostar 物鏡以及其它獨(dú)一無二的先進(jìn)技術(shù)。物鏡以及其它獨(dú)一無二的先進(jìn)技術(shù)。 KEYENCE 進(jìn)一步改進(jìn)了成熟的LK系列的CCD傳感器工藝并開發(fā)了包括Li-CCD 和高精度Ernostar 物鏡在內(nèi)的全新技術(shù)。 如圖所示 Li-CCD減少了像素邊緣錯(cuò)誤，精確度是傳統(tǒng)型號(hào)減少了像素邊緣錯(cuò)誤，精確度是傳統(tǒng)型號(hào)的兩倍之多的兩倍之多 由于CCD有數(shù)字輸出每個(gè)像素的特點(diǎn)，因此在像素邊緣產(chǎn)生的漸進(jìn)輸出所

15、造成的錯(cuò)誤會(huì)影響精確度的進(jìn)一步提高。KEYENCE 開發(fā)了一種Li-CCD 作為對(duì)策，這種CCD能夠以一個(gè)像素輸出反射光的位置，在精確性方面極為出色，是傳統(tǒng)型號(hào)的兩倍。此外，傳感器還使用了專門的設(shè)計(jì)，速度和靈敏度分別是傳統(tǒng)型號(hào)的25倍和10倍* Li-CCD= 直線性CCD測(cè)量原理測(cè)量原理 v高精度測(cè)量的高精度測(cè)量的Li-CCD 的原理的原理 使用了三角形測(cè)量法。反射光在Li-CCD上的位置隨著目標(biāo)物位置的改變而改變，通過檢測(cè)該變化就可以測(cè)量物體的位移量。 如圖所示v超精度超精度 - LK-G10/G15 系列系列 超精度傳感器，解析度高達(dá)0.01m 如圖所示v高精度高精度 - LK-G30/

16、G35 系列系列 可準(zhǔn)確測(cè)量透明物體，塑料和金屬制品。 如圖所示 v高穩(wěn)定性高穩(wěn)定性 - LK-G80/G85系列系列 （多種用途（多種用途 ） 新技術(shù)在需要長(zhǎng)距離測(cè)量的情況下為高精度的應(yīng)用提供了更好的穩(wěn)定性 如圖所示v長(zhǎng)距離長(zhǎng)距離 - LK-G150/G155 系列系列 集高精度、長(zhǎng)距離和最快的采樣速度于一身測(cè)量范圍 150 40 mm 如圖所示v高速、長(zhǎng)距離高速、長(zhǎng)距離 - LK-G400/G405 系列系列 集高精度、長(zhǎng)距離和最快的采樣速度于集高精度、長(zhǎng)距離和最快的采樣速度于一身測(cè)量范圍一身測(cè)量范圍 400 100 mm 如圖所示v超長(zhǎng)距離超長(zhǎng)距離 - LK-G500/G505 系列系列

17、 高精度、高速、超大范圍。傳統(tǒng)型號(hào)之1.5倍大范圍量測(cè)：最遠(yuǎn)達(dá)1000mm 如圖所示50 kHz的超高采樣速度的超高采樣速度 v所有類型所有類型: LKG10/15/30/35/80/85/150/155/400/405/500/505 比傳統(tǒng)型號(hào)快25倍的高速采樣是Li-CCD的一大特色。由專用波形處理器（數(shù)字信號(hào)處理器）對(duì)發(fā)自Li-CCD的信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)字處理，能夠滿足高速測(cè)量和高精度測(cè)量的要求。 Li-CCD可以對(duì)高速移動(dòng)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)或高速振動(dòng)的物體進(jìn)行可靠的測(cè)量。 如圖所示PD3575D CCD圖像傳感器圖像傳感器 vPD3575D概述v PD3575D是NEC公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低

18、暗電流、1024像元的內(nèi)置采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器。該傳感器可用于 、圖像掃描和OCR。它內(nèi)部包含一列1024像元的光敏二極管和兩列525位CCD電荷轉(zhuǎn)移寄存器。該器件可工作在5V驅(qū)動(dòng)（脈沖）和12V電源條件下。vPD3575D的主要特性如下 ： *像敏單元數(shù)目：1024像元； *像敏單元大小：14m14m14m(相鄰元中心距為14m)； *光敏區(qū)域：采用高靈敏度和低暗電流PN結(jié)作為光敏單元； *時(shí)鐘：二相（5V）； *內(nèi)部電路：采樣保持電路，輸出放大電路； *封裝形式：20腳DIP封裝。vPD3575D的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理 PD3575D 中間一排是由多個(gè)光敏二極管構(gòu)成的光敏陣列，有效單元為1024位，它們的作用是接收照射到CCD硅片的光，并將之轉(zhuǎn)化成電荷信號(hào)，光敏陣列的兩側(cè)為轉(zhuǎn)移柵和模擬寄存器。在傳輸門時(shí)鐘TG的作用下，像元的光電信號(hào)分別轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的CCD轉(zhuǎn)移柵。然后CCD的MOS電容中的電荷信號(hào)在IO的作用下串行從輸出端口輸出。上述驅(qū)動(dòng)脈沖由專門的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。小型CCD產(chǎn)品 監(jiān)控好幫手-SONY球形網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)v SNC-RZ50P 使用Sony先進(jìn)的Exwave HAD CCD 技術(shù) 最低照度：彩色2.2Lx (50IRE，F(xiàn)1.6，AGC ON)；