图像传感器的工作原理五
CCD工作原理
CCD工作原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种常用于图像传感器的技术，它能够将光信号转换为电信号，并进行图像捕捉和处理。
CCD工作原理主要包括光电转换、信号传输和图像采集三个方面。
1. 光电转换CCD图像传感器由一系列光敏元件（photosites）组成，每个光敏元件都能够感知光的强度并将其转化为电荷。
当光照射到光敏元件上时，光子会激发出电子，这些电子被捕获并储存在光敏元件中。
光敏元件的大小决定了图像的分辨率，即能够捕捉到的细节程度。
2. 信号传输CCD图像传感器中的光敏元件排列成一个矩阵，每个光敏元件都有一个对应的电荷传输区域。
通过在传输区域施加电压，电荷可以在不同的传输区域之间移动。
这种电荷传输的方式称为“场耦合”，即光电荷通过传输区域的电场耦合到相邻的传输区域。
通过逐行或逐列地传输电荷，整个图像的电荷信号可以逐渐传输到输出端。
3. 图像采集一旦电荷信号传输到输出端，它们就可以被读出并转换成数字信号。
在读出过程中，每个光敏元件的电荷信号被逐个测量并转换为电压信号。
这些电压信号经过放大和模数转换后，就可以得到一个数字图像。
CCD工作原理的关键在于光电转换和信号传输。
通过将光信号转化为电荷信号，并通过电场耦合的方式将电荷信号传输到输出端，CCD图像传感器能够捕捉到高质量的图像。
与其他图像传感器技术相比，CCD具有较低的噪声水平、较高的动态范围和较好的图像质量，因此被广泛应用于数码相机、摄像机等领域。
需要注意的是，CCD图像传感器对光的敏感度较高，因此在弱光环境下能够获得更好的图像质量。
然而，CCD也存在一些缺点，如功耗较高、响应速度较慢和成本较高等。
随着技术的不断进步，一些新的图像传感器技术如CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）也逐渐崭露头角，成为CCD的竞争对手。
总结而言，CCD工作原理是通过光电转换和信号传输实现图像采集的过程。
图像传感器
二、 Ccd与cmos简介
• CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材 料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片 转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部 的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举 地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段， 根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组 成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照 射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的 感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整 的画面。
Hale Waihona Puke 原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它 的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因为随着 密度的提高，感光元件的比重面积将因此缩小，而 CMOS开口率太低，有效感光区域小得可怜，图像 细节丢失情况会愈为严重。因此在传感器尺寸相同 的前提下，CCD的像素规模总是高于同时期的 CMOS传感器，这也是CMOS长期以来都未能进入 主流数码相机市场的重要原因之一。 每个感光元件对应图像传感器中的一个像 点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色 彩信息，因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。 在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，
三、CCD与cmos的区别
1. 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每 个象素由四个晶体管与一个感光二极管 构成(含放大器与A/D转换电路)，使得 每个象素的感光区域远小于象素本身的 表面积，因此在象素尺寸相同的情况下， CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感 器。。
2. 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半 导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易 地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片 中，因此可以节省外围芯片的成本；除此 之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送 数据，只要其中有一个象素不能运行，就 会导致一整排的数据不能传送，因此控制 CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难 许多，即使有经验的厂商也很难在产品问 世的半年内突破50%的水平，因此，CCD 传感器的成本会高于CMOS传感器。
5模块五 视觉传感器的原理、安装与标定
图5-19 Field装与标定
图5-21 标靶
图5-22 电脑端操作标靶拍照
模 块 五 视觉传感器的原理、安装与标定
（4）接着便是通信配置，在与第三方设备数据通信接口的下拉菜单中选择“CAN”， 剩余选项默认即可，点击保存并下一步。
（5）通信配置完毕后，开始进行“相机校正”，根据相机的规格型号不同，需要在不 同的距离进行拍照采集数据。8mm的相机按照8m/12m/16m/20m、4mm相机按 4m/6m/8m/10m的顺序在相机前十字红框内的地方拍摄四组图像。
学习目标
知识目标
1.了解视觉传感器的工作原理、硬件构成。 2.了解视觉传感器的类型和特点。 3.了解视觉传感器的主要指标。
技能目标
1.掌握视觉传感器通信参数设置方法。 2.掌握视觉传感器系统对目标的测量方法。
建议课时
8课时
模 块 五 视觉传感器的原理、安装与标定
一、视觉传感器的特点
（1）视觉图像的信息量极为丰富，尤其是彩色图像。 （2）在视野范围内可同时实现道路检测、车辆检测、行人检测、交通标志检测、交通 信号灯检测等，信息获取面积大。 （3）视觉信息获取的是实时的场景图像，环境适应性强。 （4）视觉传感器应用广泛，在智能网联汽车中可以用于前视、后视、侧视、内视、环 视。
图5-13 视觉传感器安装位置
模 块 五 视觉传感器的原理、安装与标定
（二）视觉传感器标定 1.任务说明 通过完成自动驾驶教学平台视觉传感器的标定，进一步理解视觉传感器的应用。掌握 视觉传感器的标定方法，熟练Ubentu系统和Apollo平台的操作。 2.任务目标 1）技能目标 （1）能够熟练操作Ubentu系统和Apollo平台。 （2）掌握视觉传感器的标定方法。 （3）能够熟练进行视觉传感器的标定操作。 2）情感目标 （1）树立效率意识、规范意识；强化人际沟通、团队合作的能力。 （2）培养爱岗敬业的职业道德和严谨务实勤劳的工作作风。 （3）利用实训平台进行自主学习，培养制订工作计划、独立决策的能力。 （4）培养运用多方资源解决实际问题的能力。
ccd图像传感器的工作原理
ccd图像传感器的工作原理
CCD（Charged Coupled Device）图像传感器是一种将光信号
转换为电信号的电子器件。
它具有由一系列电荷耦合转移器件组成的阵列。
其工作原理如下：
1. 光感受：图像传感器的表面涂有光敏材料，例如硅或硒化铟。
当光照射到传感器上时，光子会激发光敏材料中的电子。
2. 电荷耦合：在CCD传感器中，光激发的电子通过电场力被
引导至特定位置。
在传感器的一侧，存在着电荷耦合器件（CCD）的阵列。
这些器件由一系列电容构成，能将移动的
电子推入下一个电容。
3. 移位寄存：一旦电子被推入下一个电容，电荷耦合器件会以逐行或逐列的方式将电子移动到存储区域。
这些存储区域称为移位寄存器，在这里，电荷可以被暂时存储和传输。
4. 电荷读出：当所有行或列的电荷都被移动到相应的移位寄存器时，电子的集合就可以被读出。
通过将电荷转换为电压信号，其可以被进一步处理和转换为数字信号。
总结：CCD图像传感器的工作原理可以分为光感受、电荷耦合、移位寄存和电荷读出四个步骤。
通过光激发、电荷移动和存储，最终将光信号转换为电信号，并进一步处理为数字信号。
图像传感器工作原理
图像传感器工作原理
图像传感器是一种用于捕捉图像的电子设备，它可以将光的信息转化为电信号。
图像传感器的工作原理主要包括光敏元件的感光和电荷积分两个过程。
感光过程：
当光照射到图像传感器的光敏阵列上时，光子会被感光元件（如光敏二极管或金属氧化物半导体场效应晶体管）吸收。
这些元件在光的作用下，会产生电子 - 跳跃运动 -形成电信号的过程。
光敏元件的感光效率取决于其材料和结构。
电荷积分过程：
当光子被感光元件吸收后，感光元件会将光子转化为电子。
这些电子会被积分操作电路收集和储存。
积分操作电路通过控制电位，将电子从感光元件中导出，并将电荷逐步积分到存储单元，直到达到设定的积分时间。
积分时间长短决定了图像传感器的曝光时间。
在图像传感器的成像完成后，电荷积分器将电荷量转换为电压信号，并通过放大电路进行放大。
这些电压信号被数模转换器（ADC）转换成数字信号，然后通过数字信号处理器进行进一步的图像处理和编码。
最后，这些数字图像可以被存储、展示或传输。
五种常用的传感器原理及应用
五种常用的传感器原理及应用目录1.序言 (1)2.传感器定义 (3)3.传感器选择的标准 (3)4.传感器分类的标准 (3)5.五种常用的传感器类型及其特点 (5)5.1.温度传感器 (5)1.2.红外传感器 (5)1.3.紫外线传感器 (7)1.4.触摸传感器 (8)1.5.接近传感器 (8)6.传感器选用原则 (9)7.先进的传感器技术 (10)7.1.条形码识别 (10)7.2.转发器 (11)7.3.制造部件的电磁识别 (11)7.4.表面声波 (11)7.5.光学字符识别(OCR) (11)1.序言一台设备所采用的的传感器是否先进、可靠有时直接决定了设备的先进性和可靠性。
图1传感器工作原理很多机械工程师在观念上有一个误区：机械工程师只负责机构的东西，传感器、电气元件选用及控制方案是电气工程师或系统工程师的事。
如果你是某个项目的总设计工程师，在方案构想阶段就要考虑到选用哪些类型的传感器以及设备的动作流程和控制方式。
生物信息：是反映生物运动状态和方式的信息。
碱基序列便是生物信息。
自然界经过漫长时期的演变，产生了生物，逐渐形成了复杂的生物世界。
生物信息形形色色，千变万化，不同类的生物发出不同的信息。
，人们对生物信息的研究已取得了一些可观的成果，人们发现，鸟有“鸟语”，兽有“兽语”，甚至花也有“花语”。
人们还发现生物信息与非生物信息之间有着某种必然的联系，如燕子、大雁的飞来飞去，预示着季节的变换和气温的升降；鱼儿浮出水面预示着大雨即将来临;动物的某些反常现象，预示着地震即将发生的信［息、******。
物理信息：包括声、光、颜色等。
这些物理信息往往表达了吸引异性、种间识别、威吓和警告等作用。
比如，毒蜂身上斑斓的花纹、猛兽的吼叫都表达了警告、威胁的意思。
萤火虫通过闪光来识别同伴。
红三叶草花的色彩和形状就是传递给当地土蜂和其它昆虫的信息。
化学信息：生物依靠自身代谢产生的化学物质，如酶、生长素、性诱激素等来传递信息。
camera sensor原理
一、介绍摄像头传感器是摄像机设备的核心部件，它负责将光学图像转换为电信号。
在数字摄像机中，传感器是将光学成像转化为数字信号的关键环节。
本文将介绍摄像头传感器的原理，包括传感器的工作原理、种类、性能指标等内容。
二、工作原理1. 光电转换摄像头传感器是一种能够将光学信号转换成电信号的器件。
其工作原理是通过光电转换的方式，将进入传感器的光线转化为电荷，并最终转换为电信号。
一般来说，传感器采用CMOS或CCD技术来实现光电转换，从而捕捉图像。
2. CMOS与CCDCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）和CCD （Charge-Coupled Device）是两种常见的传感器技术。
CMOS传感器由图像传感器阵列和信号处理器组成，每个像素拥有自己的放大器和A/D转换器，因此具有低功耗、低成本的优势。
而CCD传感器则通过逐行扫描的方式将光信号转换为电信号，其特点是传感器本身对光的响应灵敏度高，适用于对图像质量要求较高的领域。
三、种类根据用途和结构的不同，摄像头传感器可以分为多种类型：1. 全画幅传感器全画幅传感器是指其尺寸与35mm胶片尺寸相同的传感器，具备出色的画质和高感光度。
由于其较大的面积，可以捕捉更多的光线，因此适合于对图像质量要求较高的用途。
2. APS-C传感器APS-C传感器是一种常见的摄像头传感器类型，其尺寸介于全画幅传感器和4/3传感器之间。
它具有良好的成像质量和性能表现，是众多中高端数码相机所采用的传感器类型。
3. 4/3传感器4/3传感器是一种由奥林巴斯和松下联合推出的传感器规格，其尺寸较小，适合于小型化摄像机和便携式相机。
尽管尺寸较小，但4/3传感器在图像质量和性能表现上并不逊色于其他传感器类型。
四、性能指标摄像头传感器的性能是评判其优劣的关键指标，其中包括分辨率、动态范围、信噪比等内容。
1. 分辨率传感器的分辨率是指其能够捕捉的细节和图像的清晰度。
CCD图像传感器
显微镜下的MOS元表面 显微镜下的MOS元表面 MOS
CCD结构示意图 CCD结构示意图
CCD图像传感器的结构及工作原理 CCD图像传感器的结构及工作原理
是由规则排列的金属—氧化物—半导体（ CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体（Metal Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。
概述
四、固态图像传感器所用的敏感器件
电荷耦合器件（ 电荷耦合器件（CCD） ） 电荷注入器件（CID） 电荷注入器件（ ） 戽链式器件（ 戽链式器件（BBD） ） 金属氧化物半导体器件（ 金属氧化物半导体器件（MOS） ）
CCD图像传感器 CCD图像传感器
CCD，英文全称：ChargeCCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。 Device，中文பைடு நூலகம்称：电荷耦合元件。也 称CCD图像传感器，是一种大规模金属 CCD图像传感器， 图像传感器 氧化物半导体集成电路光电器件， 氧化物半导体集成电路光电器件，是贝 尔实验室的于1970年发明的。 尔实验室的于1970年发明的。 1970年发明的 它能够把光学影像转化为数字信号。 它能够把光学影像转化为数字信号。
CCD图像传感器的结构及原理 CCD图像传感器的结构及原理
三、信号电荷的传输（读出移位寄存器） 信号电荷的传输（读出移位寄存器） 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半 MOS结构 导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于， 导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底 MOS光敏元的区别在于 部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极 组成一个耦合单元； 组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加 脉冲波三相时钟脉冲 Φ1Φ2Φ3。 Φ1Φ2Φ3。
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CCD故障原因分析
受使用环境影响 ： 如在温差大、湿度高的环境下使用和保养， CCD芯片的引脚出现频繁的热胀冷缩容易出现脱 焊现象。 受静电的影响： 在相机使用完后，CCD中存储的电荷并没有完 全的释放完，还有部分残留在移位寄存器内。 相机本身也是一个容易产生静电的电器，人体 的静电也会通过机内的金属而传到电路上。
Frame-Transfer 全傳 CCD
①工作原理：
光线 光线 光线 滤色 光 电荷 电流信号 数字信号
暂存器
A/D转换
快 门
聚光片
彩色滤镜阵列
感光区
②特点：
● 介于扫描和全像CCD之间，具有分离的大型的感光区和暂存区 ●这个设计可以让它具有较快的拍摄速度和较大的感光面积
富士 SUPER CCD
帧转移方式： 在垂直消隐期间 内把储存区域 的信号电荷逐行 转移到水平CCD 再经过水平转移 到电荷检测部
行间转移方式： 由光电二极管负责 光电转换与储存功能， 在垂直消隐期间把电 荷转移到相邻的垂直 CCD,称为读出转移。 在水平消隐期间进行 逐行转移到水平CCD 在图像水平期间向 FD放大器水平转移
用2维CCD的数位相机慢。这种CCD 大多用于
平台式扫描器之上。
Interline 扫描型 CCD
①工作原理：
光线 光线 光线 滤色 光 电荷 电流信号 数字信号
暂存器
A/D转换
快 门
聚光片
彩色滤镜阵列
感光区.暂存区
②特点：
● 曝光后可将电荷储存于暂存器中，元件可以继续拍摄下一张照片， 因此速度较快 ● 暂存区占据了感光点的面积，因此动态范围（系统最亮与最 暗之 间差距所能表现的程度）较小 ● 由於其速度快、成本较低，因此市面上超过 86％以上的数码相机 都以IL型CCD 为感光元件
图像传感器的工作原理
图像传感器包括： CCD和CMOS两种 CCD：电荷耦合器件，感光半导体器件。 CMOS:互补金属氧化物半导体。 生产商：SONY、PHILIPS、KODAK、FUJI、 SHARP、Panasonic、SANYO
CCD的分类
按结构分： 线阵CCD和面阵CCD 线阵CCD： 每次只拍摄图像的一条线，且只能拍摄静 态的景物、曝光时间长、拍摄精度高但速度慢。 面阵CCD： 也称为矩阵CCD，拍摄时图像被一次同时 曝光、拍摄速度快可以拍摄动态的景物。
2、数码相机最大的ISO值主要是取决於最低的可接受的信 噪比（S/N）
噪点：CCD由于受到周边电路和本身像素间的光电磁干扰，而在不 工作时仍可感应到的电流信号，显示出来表现为杂点。
CCD感光存储单元
CCD动作示意图
CCD的动作分解
1、光电转换（将光转换成电信号）
2、电荷的存储（存储信号电荷） 3、电荷的转移（转移信号电荷）
CCD的信号转移方式
1、帧转移方式 进行帧转移方式的CCD，包括摄影区域必须具有同 等面积的存储区域，以致于因转移电极导致的感光度下 降或帧转移时漏光等缺点。 2、行间转移方式 由于光电转换部与转移部分离，光电二极管可感受入 射光，垂直CCD可进行遮光，因此光电转换结束后信号 电荷有充足的时间转移，这种方式不需要储存部，可使 CCD可以更小型化。 3、帧行间转移 结合了前面两种CCD的优势可以制作高性能的图像 传感器。
CCD 的电荷转移
势阱的深度由电极上的电压高低而定，电压越高、 势阱越深。势阱内电荷的转移趋势就像水往低处 流一样，总是向着深阱处移动。这样，如果有规 律地改变电极电压，使阱深发生变化，就可以使 电荷向着既定的方向移动。
电荷的检测
电荷的检测是：从CCD图像传感器的光电二 极管起，到达输出部之前将转移的信号电荷转换 成电信号的动作。 就是将转移过来的电荷转换成电容器两端的电 压变化FD，电容器两端的电压变化△V,可利用 转移过来的信号电荷量Q与电容器的电容C之间 的关系来表示： △VFD=Q/ CFD FD信号再经过放大器放大后作为CCD的信号 输出
4、电荷的检测（将信号电荷转换为电信号）
CCD 的光电转换
在P 型单晶硅的衬底上生长一层很薄的绝缘氧化 物层（二氧化硅），当景物的光线照射到氧化物 层表面时，就在氧化物层与P 型硅之间产生电荷， 而且电荷的数量与照射的光强度及被照时间成正 比。
CCD 的电荷存储
当电极加上一个正电压时，它形成的电场穿过氧化层而 在对应电极的下方形成一个电荷耗尽区，即在二氧化硅 与P 型硅的界面上得到一个存储电荷的势阱，吸收电荷 留在阱内，所加电压越大，势阱越深，电荷更多地留在 阱内。
故障现象
CCD损坏的情况多数是芯片引脚脱焊或断裂的现 象 ,所引起的故障现象： 1. 取景黑屏、回放正常
2. 取景花屏、回放正常 3. 取景时有时无、回放正常
CCD故障检修方法
1. 直观法
2. 电阻法 3. 电压法 4. 信号注入法
CCD的维修
设备要求：要有1个ຫໍສະໝຸດ 尘防静电房间、一台超声 金丝球焊接机（见下图）、99.999纯金线（直径 0.5-0.8MM）100米。
Full-Frame 全像 CCD
①工作原理：
光线 光线 光线 滤色 光
电流信号 数字信号
A/D转换
快 门
聚光片
彩色滤镜阵列
感光区
②特点：
●可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增大感光范围， 同时也适用长时间曝光。 ●感光和电荷输出过程分开。因此，使用FF的数位相机在传送电流信号 时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，这样就降低了拍摄速 度，限制了它的连拍功能。
CCD按工作原理分类
CCD
线性 Linear
扫描 Interline
全像 Full-Frame
全传
Frame-Transfer
超级 SUPER
聚光镜片
彩色滤镜阵列
感应电路
CCD 的三层结构： 上：聚光镜片 中：彩色滤镜阵列 下：感应电路
Linear 线性 CCD
是以一维感光点构成，通过步进马达扫描 图像，由于照片是一行行组成，所以速度较使
课外作业
分析CCD传感器的结构和工作原理。
帧行间转移： 在垂直消隐信号期间 由光电二极管进行信 号电荷的读出转移， 并送往垂直CCD,在垂 直消隐信号结束前所 有的信号电荷利用帧 转移高速转移到储存 部，进入垂直图像期 间后在水平消隐期间 利用线转移将信号逐 行送到水平CCD. 水平CCD送来的单行 电荷在水平图像期间 内向FD进行水平转移
矩阵式排列
“蜂巢”式排列
特点：
●CCD排列为不同于其它矩阵式排列，而是采用“蜂巢”式的八边形 排列组合。
●它的特殊排列方式可最大限度的有效利用CCD面积进行感光。
CCD ISO 感光能力 （数码相机 ISO）
1、胶片的ISO
按照胶片对光的化学反应速度可分为： ISO 100、ISO 200、ISO400 传统相机主要通过对胶卷盒上的DX编码 来确认其感光度
CMOS图像传感器
CCD和CMOS的结构比较
信号转移区别
CCD的维修
CCD是较易损的元件，尤其是2006年 以前生产的数码相机和摄像机，均为 采用索尼公司2002年10月至2004年3 月期间生产的成像元器件（CCD）的 机器。日本各大厂商于2005年10月已 经相继公布出现问题的机型，并承诺 延长保修期。