面阵工业相机与机器视觉工程应用

工业相机

与机器视觉工程

王中任

襄樊学院机器人与视觉测控研究室

2011.3

主要内容

一、相机、图像传感器分类

二、面阵CCD器件组成、工作原理与典型器件

三、面阵CCD图像传感器的特性

四、CMOS图像传感器组成、原理与典型器件

五、CMOS图像传感器的特性

六、CMOS与CCD传感器的主要区别

七、如何选择合适的工业相机？

八、面阵CCD与CMOS的图像采集卡简介

九、面阵CCD/CMOS与机器视觉工程应用

十、数字图像处理简介

一、相机、图像传感器分类

1、相机的分类

z 线阵/面阵

z 黑白/彩色

z 数字/模拟

z 隔行/逐行

z 低分辨率/高分辨率

z CCD/CMOS

z ??

2、图像传感器分类

◆按结构分类

1、线阵CCD传感器

2、面阵CCD传感器

3、CMOS图像传感器

◆按功能

可见光CCD、微光CCD、紫外CCD、红外CCD、延迟线阵、存储器、多路传输器、多路开关组件、CCD可编程横向滤波器、CCD相关器、时间延迟积分（TDI）CCD

等。

◆

按驱动方式分

包括：虚相CCD、2相CCD、3相CCD、4相CCD等

线阵CCD传感器：可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出，获得一维的图像信号。若想用线阵CCD获得二维图像信号，必须使线阵CCD与二维图像作相对的扫描运动，所以用线阵CCD对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。

面阵CCD传感器:面阵CCD是二维的图像传感器，它可以直接将二维图像转变为视频信号输出。但是，面阵CCD如何将二维图像转变为视频信号输出的问题就必须掌握面阵CCD的基本工作原理。

CMOS图像传感器：CMOS图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，

有着广泛的应用前景。

场正程：18.4m s，从上到下扫描

场周期

50HZ 场逆程：1.6m s，回扫，消隐

面阵CCD分类

?二维面阵CCD是由一维线阵CCD的光敏单元及移位寄存器按照一定的方式排列程二维阵列构成的。

?根据排列方式的不同，可以将面阵CCD分为帧转移方式、隔列转移方式、线转移方式和全帧转移方式。

?帧转移面阵CCD

（1）场正程为光积分时间，光生电荷被收集到势阱里；光积分结束，进入场逆程。积累信号被转移到暂存区。

（2）当场逆程结束，又进入下一个场正程。（3）暂存区与水平读出寄存器在场正程期间按行周期工作。

（4）行逆程，暂存区驱动脉冲使暂存区信号电荷产生一行平行移动；在行正程，水平读出寄存器在水平读出脉冲作用下输出一行视频信号。（5）帧转移面阵CCD的特点：结构简单，光敏单元的尺寸可以很小，模传递函数MTF较高（实质是灵敏度），但光敏面积占总面积比例小（填充

因子小）。

?隔列转移型面阵CCD ：每列像敏单元都被读出寄存器所隔。输出端Φ2

Φ1

水平

读出

寄存器沟阻

遮光的移出寄存器转移控制栅

?隔列转移型的遮光区存储单元和感光单元一一对应，都分布在感光平面上。

?曝光开始以前，像素上的信息不被记录。

?当系统发出复位信号以后，像素上的信息被清除，并记录暗电流信息，然后系统开始曝光。?曝光时间到达后，感光区上的信息被迅速转移到对应的遮光存储单元内，然后感光区复位，准备下一次曝光。这些过程只需要一个时钟周期。

?再下一次曝光开始前，存储区的信息再转移到

DSP电路中，经过处理后存储到数字相机的存储

介质中。

◇线转移方式：取消了存储区域，多了一个线寻址电路（图中1所示）。

线寻址电路选择哪一行像敏单元，则驱动脉冲电路将使该行的光生电荷包一位位的按照箭头方向转移，并移入输出

寄存器。

全帧转移方式

?全帧读出型面阵CCD光电传感器没有垂直移位寄存器，也没有图像暂存区，使有效感光面积比较其他几种大，但这也使其必须要求闪烁光源照明。全帧读出型面阵CCD的结构如图所示。

?CCD的光敏单元在光照时间内进行光电转换，各单元随光照强度不同积累电荷量亦不同。在无光照期间，各光敏单元信号依次被读出。读出时，面阵中的各行信号均向下一行移动，在最下行的信号移出光敏感区后进入水平移位寄存器。这时将水平移位寄存器中的信号依次移出即可供显示及处理。按上述方法，将各行信号依次移出后，再进行曝光，再移出，……，这样就可以得到一帧一帧的连续的图像信号。

全帧转移方式

?特点及应用：不存在转移区或暂存区，这使得全帧读出型CCD在读出时不能“曝光”，在“曝光”时不能读出。因此这种CCD要求光源必须是闪烁的。虽然它对光源的要求比普通的CCD要特殊，但它具有一个非常重要的特点，就是其体积小，可以微型化，适合应用在医用及工业电子内窥镜中。

?产品举例：TC221，TI公司生产的一种微型全帧转

移型面阵CCD。

典型面阵CCD

?DL32型面阵CCD：DL32型面阵CCD为N型表面沟道、三相三层多晶硅电极、帧转移型面阵器件。该器件主要由摄像区、存储区、水平移位寄存器和输出电路等四部分构成，如图6-1所示。

?摄像区和存储区均由256×320个三相CCD单元构成，水平移位寄存器由325个三相交叠的CCD单元构成。其输出电路由输出栅OG、补偿放大器和信号通道放大器构成。

?摄像区和存储区的CCD单元结构相同，其单元尺寸如图6-2所示，其沟道区长为20μm，沟阻区长为4μm。在垂直方向上，它由三层交叠的多晶硅电极构成，每层电极的宽度为8μm，每个单元的垂直尺寸为24μm，光敏区总面积为7.7mm×6.1mm。

?水平移位寄存器的CCD单元尺寸如图6-3所示，水平方向长为18μm，沟道宽度为36μm ，每个电极处理电荷的实际区域为6μm×36μm 。

?CCD输出电路如图6-4所示，由一个双栅(直流栅电压URD和交流栅脉冲RS)复位场效应管和用作源极跟随放大器的场效应管构成。复位管双栅沟道长为30μm、宽为20μm。放大场效应管沟道长为10μm、宽为60μm。这两个场效应管的跨导分别为180μS和600μS。

工作原理

◆DL32工作需要11路驱动脉冲和6路直流偏置电压。

◆11路驱动脉冲：

像敏区的三相交叠脉冲CRVA1、CRVA2、CRVA3

存储区的三相交叠驱动脉冲CRVB1、CRVB2、CRVB3

水平移位寄存器的三相驱动叠脉冲CRH1、CRH2、CRH3

胖零注入脉冲CRis和复位脉冲RS。

◆6路直流偏置电平：复位管及放大管的漏极电平UCD，直流复位

栅电平URD，注入直流栅电平UG1与UG2，输出直流栅电平UOG和衬

底电平UBB 。这些直流偏置电压对于不同的器件，要求亦不相同，要做适当的调整。各路驱动脉冲的时序如图6-5所示。