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视觉检测的核心设备——图像传感器

责任编辑: 碧莉姿T恤   发布时间: 2018-01-20     文章来源: 行业资讯

行业资讯

CCD(Charge Coupled Device),电荷耦合器件,是一种特殊的半导体,现在人们习惯用CCD当图像传感器的代名词。

CCD是当今图像传感器的主流技术,也是技术最成熟、应用最广泛的可见光图像传感器,以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、分辨力高、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点,应用领域不断扩展,其在工业测控中也得到了广泛应用。

1、CCD图像传感器由三层组成:

第一层:微透镜片;

第二层:分色镜片;

第三层:感光、储存、转移电荷(CCD)层。

2、CCD工作的基本原理:

CCD的感光面是若干个独立光刻单元的集合,它能存储由光或电激励产生的信号电荷,当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输,并输出电信号。

3、CCD的物理结构

CCD有表面(沟道)CCD(SCCD)和埋沟CCD(BCCD)两种基本类型。

首先将一块半导体基板通过光刻划分成行*列的矩阵状。

每个单元为一个像素单元,在每个像素单元里,制作出一个光感区(光感二极管)、电荷储存区、电荷转移区和益漏沟槽、电极等。

每一个单元对应一个像素,内含一个光感二极管和与其一起工作的开关厂效应管,转移储存器,像素之间还有益流沟和转移珊等,因此感光面约占每个像素面积的1/2左右的面积,增大感光面积很重要,因为感光面积越大,光感二极管采集的光就越多,成像质量就越高,但是,感光区不能把面向光线射入处都做成有效感光部分,真正能感光部分的面积只是感光区面向光线射入处部分面的60%-90%,这就是所谓的开口率,但每个像素点的面积有限,目前解决的办法是在每个感光区前面加一个光学透镜,以增加受光面积,这就是CCD上的第一层微镜头,这样感光面积就由微镜片决定了,效果非常好。

4、三种典型图像CCD的电荷转移方式

1、高解析度(High Resolution):像点的大小为m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寸到现在的1/9寸,像素数目已从初期的10万多增加的千万像素,以后还有急需增加的趋势。

2、低噪声(Low Noise)高敏感度:CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声,因此有比较高的信噪比(SNR),同时具有高敏感度0.0003、0.00056LUX甚至0LUX低光度的入射光也能检测到,其信号不会被噪声掩盖,所以CCD的应用基本不受气候限制。

3、动态范围广(High Dynamic Range):通过数字处理的CCD信号,其动态范围可达到400%,专业级可达到600%,可同时适用于强光和弱光,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信号大小成良好的正比关系,能很好地反应被摄图像的细节层次,降低信号补偿处理成本。

5、光子转换效率高(High Quantum Efficiency):很微弱的入射光照射都能被记录下来,若配合影响增强管及投光器,即使在黑夜远处的景物也能拍摄到。

6、大面积感光(Large Field of View):利用半导体技术已可制造大面积的D晶片,目前于传统胶片尺寸相当的35mm的晶片已经开始应用在数码相机中,成为取代专业光学相机的关键元件。

7、光谱响应广:从0.4~1.1μm,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;根据不同应用场合,需用滤色片或复合滤色片;

8、低影像失真:使用CCD感测器,其图像处理不会有失真的情形,使原物体表面信息忠实的反应出来;

9、体积小、重量轻:CCD具备体积小且重量轻的特性,应用广泛;

10、低耗能,不受强电磁场影响;

11、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,影像将变模糊;

12、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。有些烧坏的CCD像素,经过一段时间的带电工作后能自我恢复。

1、可用于对象几何量的测量。几何量参数包括:长、宽、液位、面积等等都可以用CCD传感器技术来测量。另外,其它如进行多尺寸的检测和检查包装的尺寸、形状、商标位置与方向是否准确等许多场合也都可以采用CCD技术。

2、在线模式识别。如识别沿自动化生产线传送的分布离散物件或产品、检测零件的有无、装备在机器人上作为视觉系统、以及设备安装是否符合要求、位置是否准确等。

3、物体表面自动检测。工业生产中,表面状况是物体质量的一个重要因素,采用CCD技术对物体表面状况进行高精度的检测,不仅可以省略以往光学机构扫描法中的运动部件,而且检测色度高,系统结构小,能自动显示或记录被检测物体的表面状态等。因而可应用于工业生产中进行检测金属板、塑料、玻璃、纺织等物品的表面缺陷。

4、加工过程检测。因为CCD具有高速读出能力,因而也可以用于加工业过程中的检测,如机床加工中的位置测定是闭环控制不可缺少的一个环节,应用CCD技术能够实现加工设备位置高精度的实时控制。

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