ccd图像传感器基础知识

高稳定性
- LK-G80/G85系列 （多种用途 ） 新技术在需要长距离测量的情况下为高 精度的应用提供了更好的稳定性 如图所示
长距离
- LK-G150/G155 系列 集高精度、长距离和最快的采样速度于 一身测量范围∶150 ±40 mm 如图所示
高速、长距离
- LK-G400/G405 系列 集高精度、长距离和最快的采样速度于 一身测量范围∶400 ±100 mm 如图所示


3. 动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦 测及分办强光和弱光，提高系统环境的使用范围， 不因亮度差异大而造成信号反差现象。

4. 良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源 强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯 不致损失，降低信号补偿处理成本；高光子转换效 率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光 照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器， 即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；
由于CCD有数字输出每个像素的特点， 因此在像素边缘产生的渐进输出所造成的错 误会影响精确度的进一步提高。KEYENCE 开发了一种Li-CCD 作为对策，这种CCD能 够以一个像素输出反射光的位置，在精确性 方面极为出色，是传统型号的两倍。此外， 传感器还使用了专门的设计，速度和灵敏度 分别是传统型号的25倍和10倍 * Li-CCD= 直线性CCD


如图所示是IL-P1-4096的具体应用电路。 从CPLD发送过来的基本时时钟信号可通过简 单电路进行相位校正并提供驱动电流，然后 再送入CCD芯片。在Osn的输出端。电路可 通过几个三极管组成的恒流源来提供CCD所 需要的8mA驱动电流。 CPLD和IL-P1-4096要尽可能靠近，直流 电源的纹波最好不要超过10mV。选用比较低 的频率来控制IL-P1-4096的工作，然后渐升 高工作频率。
CCD传感器有两种
第一、特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平 面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、 EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、 4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫 外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→814um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商 业化产品,并广泛应用于各个领域。 第二、通用型或消费型CCD传感器在许多方面都有较 大地进展，总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。
IL-P1-4096的主要性能参数如下：


· 双相输出，每相输出数据频率为25MHz； · 线扫描速率为87kHz； · 可使用低压时序信号，时序信号电压小于5V； · 像素尺寸为10μm×10μm； · 每行4096个像素点； · 动态响应范围大于3200：1； · 灵敏度高，响应可达到12V（uJ/cm2）; · 采用15V电压供电； · 每行孤立像素为14个； · 每行屏蔽像素为32个。
CCD传感器技术 发展的五个趋势
CCD传感器的像面尺寸向集
成化各轻量化方向的发展:
由于制造CCD传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传感器芯片；以由于光刻 机的进步，所以在仍保持具有很高灵敏度的 特性下，CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3 英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展在1993 年，1/2英寸的CCD传感器占总产量的5%;1/4 英寸的CCD传感器占总产量的10%;1/3英寸 的CCD传感器占总产量的85%。。
★LK-G系列CCD激光位移传感器
产品特性
全新开发的Li-CCD （直线性CCD）高精度 Ernostar 物镜以及其它独一无二的先进技术。 KEYENCE 进一步改进了成熟的LK系列的CCD传感 器工艺并开发了包括Li-CCD 和高精度Ernostar 物 镜在内的全新技术。 如图所示
Li-CCD减少了像素边缘错误，精确度是传统型号 的两倍之多
CCD传感器向高素数、多制式发展
各种CCD传感器的像面尺寸在减少，但 其像素数在增加，已由早期的512（H） ×596(V)向795（H）×596（V）发展,甚至 出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水 平方向和垂直方向的分辨能力，已从通常的 隔行扫描向逐行扫描格式发展。
降低CCD传感器的工作电压、减少
6.
低影像失真（Low Image Distortion）： 使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的 情形，使原物体资讯忠实地反应出
体积小、重量轻：CCD具备体积小且重 量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫 星及各式导航系统上；
7.
8.
9.
低秏电力，不受强电磁场影响；
电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪 比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将 变较模糊； 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易 老化，使用方便及保养容易。
在1997年，在总产量比1993年增200% 以上的情况下，1/2英寸的CCD传感器仍有很 大发展，已占总产量的15%（1/2英寸由于靶 面较大仍有许多场合需要，尤其在科研领域 中如MTV1881EX、MTV-2821CB摄像机）； 1/4英寸的CD传感占总产量的60%。也就是 说，1/2英寸较大靶面尺寸CCD传感器仍有很 大增长。
Fra Baidu bibliotek
CCD图像传感器的组成
第一层，微镜头； 第二层，滤色片； 第三层，感光元件. CCD图像传感器的每一个感光元件由一个光电 二极管和控制相邻电荷的存储单元组成光电管当然 是捕捉光子用的，它将光子转化成电子，收集到的 光线越强产生的电子数量就越多，电子信号强了当 然就越容易被记录而越不容易丢失，图像细节就更 丰富了。

CCD传感器是一种特殊的半导体材料，由大量独 立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当
于传统相机的胶卷。
目前，CCD的种类有很多，其中面阵型CCD是主要 应用在数码相机中。它是由许多单个感光二极管组成 的阵列，整体呈正方形，然后像砌砖一样将这些感光 二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的 CCD传感器。
超长距离
- LK-G500/G505 系列 高精度、高速、超大范围。传统型号之 1.5倍大范围量测：最远达1000mm 如图所示
50 kHz的超高采样速度

[所有类型: LKG10/15/30/35/80/85/150/155/400/405/500/505]
ＣＣＤ图像传感器
---------------------------------Charged Coupled Device (电荷藕合器件图像传感器)
CCD传感器概论
电子耦合组件即charged
coupled device，它 就像传统相机的底片一样的感光系统，是感 应光线的电路装置，你可以将它想象成一颗 颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方， 当光线与图像从镜头透过、投射到ccd表面时， ccd就会产生电流，将感应到的内容转换成数 码资料储存在相机内部的闪速存储器或内置 硬盘卡内。ccd像素数目越多、单一像素尺寸 越大，收集到的图像就会越清晰。
IL-P1-4096 原理及组成
◇原理 根据传感器光敏单元（像素）上的感光 变化，将对象图像的感光变化转化为电荷包。 电荷包中电子的个数是由感光强度和CCD器 件的光积分时间决定的。电荷包被收集到独 立的存储井中，然后用像素复位时钟来控制 CCD器件的积分和曝光时间。
◇组成
IL-PI系列传感器内部由三大主要功能块组成： 光电二极管、 CCD读出移位寄存器和输出放大器。 其中光电二极管用来生成信号电荷包，输出放大器 用来将电荷转化为电压脉冲。 需要注意的是，IL -P1-4096传感器是两路输出， 奇像素和偶像素分别从不同的输出通道输出，是一 种双排的线列阵CCD，光敏单元在中间，奇、偶单 元的信号电荷分别传到上下两列移位寄存器后分两 路串行输出。这种CCD的优点是具有较高的封装密 度，转移次数减少一半，因而可提高转移效率，改 善图像传感器的信号质量。
CCD摄像机的数字化
在制造CCD摄像机时，从以往的Analog 模拟系统逐步实现DSP数位化处理，可以借 助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄 像机，特别是对彩色CCD摄像机的各种参数 的量化调整，可以确保CCD摄像机性能指标 的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数 量化修改。
ＣＣＤ传感器有以下优点：
测量原理
高精度测量的Li-CCD
的原理 使用了三角形测量法。反射光在Li-CCD 上的位置随着目标物位置的改变而改变，通 过检测该变化就可以测量物体的位移量。 如图所示
超精度
- LK-G10/G15 系列 超精度传感器，解析度高达0.01µm 如图所示
高精度
- LK-G30/G35 系列 可准确测量透明物体，塑料和金属制品。 如图所示
1. 高解析度（High Resolution）：像点的大小为 μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从 早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸， 像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万 像素； 2. 低杂讯（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很 低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比 （SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光 也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使ＣＣＤ的应用 较不受天候拘束；
5.
大面积感光（Large Field of View）：利 用半导体技术已可制造大面积的ＣＣＤD晶 片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的Ｃ ＣＤ已经开始应用在数码相机中，成为取代 专业有利光学相机的关键元件；光谱响应广 （Broad Spectral Response）：能检测很宽 波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系 统应用领域；
10.
CCD传感器的应用
★高速线阵CCD IL-P1-4096
主要特点 高速线阵CCD IL-P1-4096是加拿DALSA 公司生产的IL-P1系列图像传感器中的一种。 该器件的像素尺寸是10μm×μm、像素线阵 长度为41mm、相邻像素间距也是10μm。线 阵列的像素共有4096个，分两路输出。
IL-PI4096具体应用
IL-P1-4096的精度高、感光响应快，在工业控制 和测量领域（如流水线产品检测、分类，文字与图 像的识别，机械产品尺寸非接触测量等），该器件 具有很强的实用性。 IL-PI4096的工作频率要求很高、相位关系复杂， 使用高速CPLD作为CCD的基本时序发生器。推荐 设计时可使用Lattic公司的 ispMACH4000C/B/V系 列芯片，该芯片的工作时钟可以达到400MHz，完 全可以满足此CCD的工作时序要求。
功耗
在初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、 +17V和+5V等，目前通用的为+12V。为配合 PC摄像机和网络图像传输的应用，逐步以 +12V和+5V两种工作电压为主。
提高CCD摄像机的制造效率
为了降低CCD摄像机的制造成本，实现高速自动 化生产，制造厂家追求紧密性结构，致力于CCD摄 像机的小型化，即由Dip On Board（DOB）过锡板 工艺改进为Chip On Board（COB）板上连接IC芯 片的贴片方式。到目前为止，已实现多层板的Multi Chip Module（MCM）多芯片集成模组化制造技术。
CCD传感器的成像原理是使用感光二极 管将光线转换为电荷，当拍摄者对焦完毕按 下快门的时候，光线通过打开的快门（目前 消费级数码相机基本都是采用电子快门）透 过马赛克色块射入在CCD图像传感器上，感 光二极管在接受光子的撞击后释放电子，所 产生电子的数目与该感光二极管感应到的光 成正比。
当本次曝光结束之后，每个感光二极管上含 有不同数量的电子，而我们在显示器上面看 到的数码图像就是通过电子数量的多与少来 进行表示和储存，然后控制电路从CCD中读 取图像，进行红R、绿G和蓝B三原色合成， 并且放大和将其数字化，这些数字信号被存 入数码相机的缓存内，最后写入相机的移动 存储介质完成数码相片的拍摄 。