项目7 视觉传感器及其应用

现在更多地在CCD视觉传感器上使用的是光敏元件 与移位寄存器分离式的结构。
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电荷的定向转移
电荷转移的控制方法，非常类似于步进电机的步进控制 方式。也有二相、三相等控制方式之分。这里以三相控制方 式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图：
P1 P 2 P3
P 1 P 2 P3 t=t0 P1 Ф
wenku.baidu.comP2
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7.5
视觉传感器应用实例
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7.5.1
顾客 申请单 镜 头 CCD 线型 视觉 传感 器
月票自动发售机
纸
放 大 器
自动 誊写机
光源
打 印 机
月 票
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视觉传感器单个像素的光电变换原理 ▲
光电靶面上每一个像素均可看作由电容C、光照时导 电性增强的光电基元GL、不照射时也导电的暗电流基元GD 等并联的电路。 电子束扫描到该像素时开关S闭合，电容C在瞬间被Er 充电，扫描移到邻近像素时，S打开。当S打开时，如有光 照在GL上，将产生电荷，它同C上的电荷中和一部分。下 次扫描到该点时S再次闭合，已被中和了的C又被充电，充 电电流Ic流过RL。电压IcRL同该点受光照射的强度有关， IcRL即为视觉的输出。
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3．物体图像的识别
首先输入被识别物体的图像模型，并抽出其几何形状特 征，然后用视觉传感器输入物体的图像并抽出其几何形状特 征，用比较判断程序比较两者的异同。 如果各几何形状特征相同，则该物体就是所需要的物体。 物体的几何形状特征一般是面积、周长、重心、最大直 径、最小直径、孔的数量、孔的面积之和等等。这些几何量 可根据图像处理所得到的线架图求得。 例如连杆的周长(像素数)如果与预先输入的连杆图像的 周长(像素数)相同，即可确认是连杆。若有 两个物体图像的某一几何特征(如周长)，其像素数相同，可 对其上孔的数量或其它几何特征进行比较，从而确切识别出 各种物体。
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CMOS/CCD视觉传感器的结构差异
无论是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为影像 捕获的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光 二极管，该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流， 而电流的强度则与光照的强度对应。 但在周边组成上，CCD的感光元件与CMOS的感光元件 并不相同，前者的感光元件除了感光二极管之外，包括一 个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大 多数面积。 而CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位 的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每 个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二 极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感 器的开口率远低于CCD。 （开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）
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CCD究竟是什么？
CCD传感器又叫电荷耦合器，它是一种特殊 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。
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CCD电极的基本构造
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CCD电极的工作原理
在CCD固体传感器的电极中，每一个MOS电容 器实际上就是一个光敏元件（像素），假定半导 体衬底是N型硅，当光照射到MOS电容器的N型硅衬 底上时，会产生电子空穴对(光生电荷)，电子被 栅极吸引存储在陷阱中。 入射光强，则光生电荷多，入射光弱，则光 生电荷少。无光照的MOS电容器则无光生电荷。这 样把光的强弱变成与其成比例的电荷的多少，实 现了光电转换。若停止光照，由于陷阱的作用， 电荷在一定时间内也不会消失，可实现对光照的 记忆。
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2．图像信息的处理技术和方法
输入的图像信息含有噪声，且并非每个像素 都具有实际意义。因此，必须消除噪声，将全部 像素的集合进行再处理，以构成为线段或区域等 有效的像素组合，从所需要的物体图像中去掉不 必要的像素，这就是图像的前处理。 用一般的串行计算机处理二维图像，运算时 间很长，为了缩短时间，可用专用图像处理器， 这种处理器有局部并列型、完全并列型、流水线 型、多处理器型等。
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二维MOS 电容器面阵
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11100万像素CCD视觉传感器
首款11100万像素CCD视觉传感器
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7.2.2
CCD视觉传感器
MOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合 而为一的结构，称为光积蓄式结构，这种结构最简单。 但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间长得多，所 以再生视觉往往产生“拖尾”，视觉容易模糊不清。 另外，直接采用MOS电容器感光虽然有不少优点， 但它对蓝光的透过率差，灵敏度低。
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7.3 CMOS 视觉传感器
佳能数码单反相机EOS D30 采用的CMOS传感器
尼康D2X上所使用的CMOS
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CCD和CMOS的主要区别
制造上的区别： CMOS和CCD同为半导体。但CCD是集成在半导体单晶材料 上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。 工作原理的区别： 主要区别是读取视觉数据的方法。CCD从阵列的一个角落 开始读取数据。CMOS对每一个像素采用有源像素传感器及晶 体管，以实现视觉数据读取。 视觉扫描方法的区别： CCD传感器连续扫描，在最后一个数据扫描完成之后才能 将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为 电子信号的放大器。 成像方面的区别： CMOS器件产生的视觉质量相比CCD来说要低一些。
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光电式摄像机工作原理▲
光电式摄像机由接收部分、光电转换部分和
扫描部分组成二维视觉传感器。
其光导摄像管是一种兼有光电转换功能和扫
描功能的真空管。经透镜成像的光信号在摄像管
的靶面上作为模拟量而被记忆下来。从阴极发射
的电子束依次在靶面(光电转换面)上扫描，将视
觉的光信号转换成时间序列的电信号输出。
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光导摄像管构成原理
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CMOS视觉传感器的长处
CMOS视觉传感器易与A/D电路、数字信号处 理器DSP电路等集成在一起。 CCD视觉传感器只能单一的锁存到成千上万的 采样点上的光线的状态，CMOS则可以完成其它的 许多功能，如A/D转换，负载信号处理、白平衡处 理及相机控制(白平衡调整就是通过视觉调整，使 在各种光线条件下拍的照片色彩与人眼看到的景 物色彩一样)。 CMOS视觉传感器耗电小，其耗电量约为CCD 视觉传感器的1/3。
类似小灯泡的 传感器“PMT”
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CCD视觉传感器
CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的， 与电脑晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆 体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体 材料，由大量独立的感光二极管组成，一般这 些感光二极管按照矩阵形式排列(富士公司的 Super CCD除外)。 CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD 技术有了长足的进步，又由于CCD的体积小、 造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及 数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的视 觉传感器都是CCD。
P3
P1
P2 P3
t=t1
Ф1
Ф2
P1 P 2
P3
P1 P2 P3 t=t2
Ф3
0
t0 t1 t2
t3
(b)
t
P1
P2
P3
P1 P2 P3
t=t3
(a)
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二相驱动
视频输出
P1 P2 P3
沟阻 感光区 析像单元
检波二极管 行 扫 描 发 生 器
输 出 寄 存 器
感光区
二相驱动
P1 P2 P3
存储区
5
7.2
CCD视觉传感器
哈苏3900万像素数码单反相机
6
PMT视觉传感器
PMT是最早出现的视觉传感器，从上世纪五十 年代发展到现在，技术已经非常成熟，是目前性 能最好的传感器。 PMT就像一个圆柱体小灯泡，直径约一寸，长 度约二寸；内置多个电极，将进入的光信号转化 为电信号，即使很微弱的光线也可准确补捉。
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4．立体视觉
距离信息是处理三维图像不可缺少的，而距 离计测多以三角原理进行处理。立体视觉使用两 台视觉传感器，象人类的两眼组成立体视觉。 通过比较两台摄像机摄入的两个图像而找出 其对应点，再从两个图像内的位置与两台摄像机 几何位置的配置，决定相当于对应点对象物体上 一点的距离信息。距离的检测也可使用一台视觉 传感器和一台激光发射器，当测知角r、 及距离L 时，即可运用三角原理计算出到被测物体上A点的 距离。
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CMOS型放大器
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CMOS型光电变换器件
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7.3.2
传感器。
CMOS视觉传感器
利用CMOS型光电变换器件可以做成CMOS视觉 由CMOS衬底直接受光信号照射产生并积蓄
光生电荷的方式不大采用。
现在更多地在CMOS视觉传感器上使用的是
光敏元件与CMOS型放大器分离式的结构。
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CMOS线型视觉传感器构成
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7.3.1
CMOS型光电转换器件
场效应晶体管是利用半导体表面的电场效应进行工作的， 也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电(绝缘)状 态，所以输入电阻很高，最高可达1015Ω 。 绝缘栅型场效应晶体管目前应用较多的是以二氧化硅为 绝缘层的金属一氧化物-半导体场效应晶体管，简称为 MOSFET。 MOSFET有增强型和耗尽型两类，其中每一类又有N沟道 和P沟道之分。 NMOS管和PMOS管可以组成共源、共栅、共漏三种组态的 单级放大器，也可以组成镜像电流源电路和比例电流源电路。
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7.2.1
CCD电荷耦合器件
CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS(金属一 氧化物一半导体)电容器组成的阵列，用于实现光电转 换、信号储存、转移、输出、处理及用作电子快门等。 CCD特点： 1）体积小重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。 2）空间分辨率高。
3）光电灵敏度高、动态范围大。
4）模拟、数字输出方便；与微机接口方便。
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7.4.1
7.4.2
物体识别
1．物体图像信息的输入
识别物体前需先将物体的有关信息输入到计算机 内。被输入的信息主要有明亮度(灰度)信息、颜色信息 和距离信息，这些信息都可用视觉传感器(ITV、CCD等) 取得。
明亮度信息可借助A／D转换器数字化成4～10比特， 形成64X64～1024X1024像素组成的数字图像。然后将这 些数字图像读入计算机。 颜色图像可用彩色摄像机摄入彩色图像，也可简单 地用三原色滤光镜，以通过各滤光镜的光量比决定各点 的颜色信息。
视频输出
(a)
P1 P2 P3
输出栅
串行读出
(b)
面阵CCD视觉传感器结构
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面阵CCD视觉传感器结构2
输出寄存器
二相驱动 检波二极管 视频输出 垂直转移 寄存器 感光区
二相驱动
光栅报时钟 (c)
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隔行传送的二维CCD摄像元件
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光敏元件与移位寄存器分离式结构
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线阵CCD内部框图
图5-4
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7.2.3 CCD视觉传感器的应用
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固态视觉传感器的用途
(1)组成测试仪器可测量物位、尺寸、工 件损伤等； (2)作为光学信息处理装置的输入环节。 例如：用于传真技术、光学文字识别技术以及 图象识别技术、传真、摄像等方面； (3)作自动流水线装置中的敏感器件。例 如：可用于机床、自动售货机、自动搬运车以 及自动监视装置等方面； (4)作为机器人的视觉，监控机器人的运 行。
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7.3.3
CMOS视觉传感器的应用
CMOS视觉传感器与CCD视觉传感器一样，可 用于自动控制、自动测量、摄影摄像、视觉识 别等各个领域。
CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。
CMOS视觉传感器用于数码相机有助于改善 人们心目中数码相机是“电老虎”的不良印象。
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7.4
人工视觉
在实现机电系统智能化时，图像识别非常重要，
因此，如何实现人眼的部分功能便是关键问题。为
此目的，已利用不同形式的视觉传感器研制了从检 查作业对象的有无，测量其大致位置的简易型视觉， 到具有图像识别功能的高级视觉等各种水平的人工 视觉，其中一部分已用于具体实用装置。
人工视觉提供了在信息科学乃至人工智能领域
极其有意义的研究课题。
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硬 件人 构工 成视 觉 ▲系 统 的
项目7 视觉传感器及其应用
7.1 7.3 7.5 光导视觉传感器 CMOS视觉传感器 视觉传感器应用实例 7.2 7.4 CCD视觉传感器 人工视觉
索尼F828采用的“4色CCD”
尼康D2X上所使用的CMOS
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7.1 光导视觉传感器
光导视觉传感器主要用于光导式摄像机，这 种摄像机是由接收部分、光电转换部分和扫描部 分组成的二维视觉传感器。其光导摄像管是一种 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而 制成的真空或充气的光电器件。 光导摄像管兼有光电转换功能和扫描功能， 一般有真空光电管和充气光电管两类，或称电子 光电管和离子光电管。