视觉检测技术--CCD-CMOS
第七章-CCD光电图像传感器
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
通常在半导体硅片上制有成千上 万个相互独立的MOS光敏单元， 如果在金属电极上加上正电压， 则在半导体硅片上就形成成千 上万的个相互独立的势阱。如 果此时照射在这些光敏单元上 是一幅明暗起伏的图像，那么 这些光敏元就会产生出一幅与 光照强度相对应的光电荷图像。
获得目标尺寸和像素的变换关系 根据几何光学原理，被测物体尺寸计算公式为D=np/M
式中： n——覆盖的光敏像素数； p——像素间距； M——倍率。
D
被测 物体
成像 透镜
CCD
七、 CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 TCD1209D的像敏单元阵列由2075个光电二极管构成，其中
有27个光电二极管（前边D13～D31和后边的D32～D39）被遮蔽， 中间的2048个光电二极管为有效的像敏单元。每个像敏单元的 尺寸为14µm×14µm，相邻的两个像元的中心距为14µm。像敏单 元阵列的总长度为28.672mm。
特性参数
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 （2）灵敏度
特性参数
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量(lx.s)的作用下器
件的输出信号电压，即
R UO
式中的UO为线阵CCD输出的信号H电V 压，HV光敏面上的曝光量。
衡量器件灵敏度的参数还常用器件输出信号电压饱和时光敏面
上的曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光量SE越
电源 输出
驱动脉冲
控制脉冲
钳位脉冲 复位脉冲TCD1209D原理结构图
CCD基础知识
现以A-A截面的电极为例进行分析。很显然，它相似于移位寄存器中 的一个传输单元。如果在电极a1’、Z、a1上分别加上电压Ua’、Uz、 Ua，它们的波形如图。则对应于t0、t1、t2时刻的势阱波形同样可以得 到。如图。
d像素尺寸大能够更多地接收光子不容易饱和e对于高精密测量应尽量使用整个像素面积都感光的芯片f使用多通道传输的芯片能提高传输速度g使用3ccd技术的彩色相机色彩更真实ccdcmos设计单一感光器感光器连接放大器灵敏度同样面积下高感光开口小灵敏度低成本线路品质影响程度高成本高cmos整合集成成本低ccd与cmos比较解析度连接复杂度低解析度高低新技术高噪点比单一放大噪点低百万放大噪点高功耗比需外加电压功耗高直接放大功耗低90年代初cmos传感器开始被部分市场所采纳一个重要原因就是它可以在同一个芯片上集成各种信号和图象处理模块如运放器adcs彩色处理和数据压缩电路标准tv和计算机io接口形成一个单片集成数字成象系统
电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态
CCD光敏元显微照片
CCD图像传感器的分类
1. 线阵CCD外形
2.面阵CCD
面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。
目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能 生产的产品的单元数也越来越多，已达 1024×1024像元。我国也能生产512×320像元的 面型CCD图像传感器。
面阵列CCD摄象器件
二维固体摄象器件中，电荷包转移情 况与线阵列器件类似，只是它的形式 较多。有的结构简单，但摄象质量不 好，有的摄象质量好些，但驱动电路 复杂，目前比较常用的形式是帧转移 结构。
光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其 作用是光电变换和在自扫描正程时间 内进行光积分，暂存区是由遮光的 CCD构成的，它的位数和光敏区一一 对应，其作用是在自扫描逆程时间内， 迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移 到它里面暂存起来。
CCD视觉传感器在激光焊接中的应用
CCD视觉传感器在激光焊接中的应用在工业环境中，机器视觉应用日臻成熟，尤其在危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，用机器视觉来替代人工视觉提高了作业的准确性和安全性。
在激光加工领域机器视觉技术与激光加工技术开始融合，通过机器视觉的定位和引导实现高精度加工，降低了对高成本精密卡具的需求，提升设备精度，降低加工成本，本文简单介绍了CCD视觉传感器在激光焊接中的应用。
关键字：機器视觉检测系统;CCD视觉传感器;激光焊接机器视觉检测系统就是用工业相机代替人眼睛去完成识别、测量、定位、判断等功能。
视觉检测是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像采集系统和图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。
CCD视觉传感器使用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，因而可以便捷地把数据传输给计算机，并借助于计算机进行图像处理。
激光加工是一种应用广泛的工业加工技术，利用对激光器的运动控制，实现高精度的打标、切割、雕刻、焊接等功能。
随着激光加工的工艺升级，传统技术已经不能满足工业加工对高精度高速度的要求，这使机器视觉检测技术与激光加工技术开始融合，通过视觉的定位和引导实现高精度加工，降低了对高成本精密卡具的需求，提升设备精度，降低加工成本。
一、CCD视觉传感器对于焊缝图像的采集CCD视觉传感器是基于仿生学研制的，在整个焊缝跟踪系统中就相当于人的眼睛，所以视觉传感器的精度对整个焊缝跟踪系统的精度来说至关重要。
CCD视觉传感器需要满足的是在实际焊接作业环境条件下的焊缝自动跟踪机器人系统对其提出的一系列要求，例如：可以对不同焊缝坡口形状以及不同焊缝坡口厚度的焊缝进行跟踪焊接;可以适用于持续的高温辐射、飞溅烟尘干扰、强烈的弧光、燃烧的气体等一些恶劣的焊接环境;可以从激光视觉传感器中获取到清晰可见的焊缝结构光原始图像等，这就决定了焊接过程中焊缝图像的特殊性。
视觉检测教案模板及范文
课时：2课时教学目标：1. 了解视觉检测技术的概念和原理。
2. 掌握视觉检测系统的主要组成部分及其功能。
3. 熟悉视觉检测技术在工业生产中的应用。
4. 培养学生分析问题、解决问题的能力。
教学重点：1. 视觉检测技术的原理和组成部分。
2. 视觉检测技术在工业生产中的应用。
教学难点：1. 视觉检测系统各部分之间的协同工作。
2. 视觉检测技术在复杂环境下的应用。
教学准备：1. PPT课件2. 视觉检测系统实物或图片3. 工业生产现场视频教学过程：第一课时一、导入1. 展示视觉检测系统实物或图片，激发学生学习兴趣。
2. 提问：同学们，你们知道什么是视觉检测技术吗？它在生活中有哪些应用？二、讲解视觉检测技术原理1. 介绍视觉检测技术的定义和发展历程。
2. 解释视觉检测技术的原理，包括图像摄取、图像处理、特征提取、决策判断等环节。
三、介绍视觉检测系统组成部分1. 图像摄取装置：CCD/CMOS工业相机、摄像头等。
2. 图像处理软件：图像采集卡、图像处理软件等。
3. 控制系统：PLC、单片机等。
4. 输出设备：报警器、执行机构等。
四、案例分析1. 展示工业生产现场视频，让学生了解视觉检测技术在实际生产中的应用。
2. 分析案例中视觉检测系统的组成和工作原理。
第二课时一、巩固复习1. 复习视觉检测技术的原理和组成部分。
2. 回答学生提出的问题。
二、实践操作1. 分组让学生操作视觉检测系统，观察系统各部分协同工作。
2. 指导学生分析操作过程中遇到的问题，共同解决问题。
三、总结与拓展1. 总结视觉检测技术在工业生产中的应用。
2. 拓展视觉检测技术在其他领域的应用，如医疗、农业等。
教学评价：1. 学生对视觉检测技术原理和组成部分的掌握程度。
2. 学生在实践操作中的表现。
3. 学生对视觉检测技术在其他领域的应用拓展能力。
教学反思：1. 教师应注重理论与实践相结合，提高学生的学习兴趣。
2. 在实践操作中，教师要引导学生分析问题、解决问题，培养学生的实际操作能力。
机器视觉介绍
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3.3 光圈
光圈：镜头中可以改变中间孔大小的机械装置。 图像的成像照度与光圈的直径D的平方成正比，于镜 头的焦距成反比，D/f被称为镜头的相对通光孔径，他的 倒数f/D就被成为光圈数，也叫F数，如果镜头的相对孔径 是1:2，那么他的光圈就是； 相对孔径越小，则光圈数越大，在单位时间内的通光 量也越大。
性能 寿命（kh）
响应速度 亮度 特性
白炽灯
氙灯
LED光源
5-7
约1-3
60-100
慢
慢
快
较亮
亮
可调
发热严重、寿命短 、易老化、能 量转换率低
价格便宜、照明面 积大、光谱分 布不均匀、寿 命短
寿命长、相应速 度快、几乎无 老化、功耗小 、发热小
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4.1 照明方式
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4.2 照明方式
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4.3 照明方式
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1.5 工业相机-像素时钟/最大行频/最大帧率
➢ 像素时钟：CCD中像素输出的节拍； ➢ 最大行频：线阵相机每秒钟能够输出的最大行数； ➢ 最大帧率：面阵相机每秒钟能够采集并输出的最大帧数；
像素时钟越高最大行频或者帧率越高，但是噪声也会加大， 影响低照度环境下的性能
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2 如何选择合适的工业相机
机器视觉介绍
引言 机器视觉介绍
机器视觉
处理速度快 检测精度高 非接触测量
自动化设备 汽车工业 消费品 电子产品 食品饮料/包装 医药行业
……
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1 工业相机-概述
工业相机 用于获取图像
传感器选择
CCD CMOS
传感器结构
面阵相机 线阵相机
输出信号
数字相机 模拟相机
图像
CCD
CCD知识介绍 知识介绍
成像系统组成
CCD Camera
Filters Lens
PMT
Filter Scan head Sample
Laser
UV/white epi UV/white epi illumination illumination
Sample
UV/white transillumination
CCD种类 采光方式 种类-采光方式 种类
前照式: 光从正面照射芯片形成电 荷 背照式: 光从背面通过并直接进入 二极管 光子效率可达到80%
CCD种类 控温方式 种类-控温方式 种类
Cool CCD-消除热或暗电流产生的噪音 -噪音底，图像质量高 -灵敏度高，感光效果佳 -几何失真度小 -解析度稳定，补偿效果佳 -耐震动，不易受点磁场干扰
附：普通CCD暴光超过10秒，发热；-20度摄像头可拍摄5分钟图像； -40度摄像头拍摄时间可超过1小时
CCD量子效率 量子效率
量子效率（ Quantum Efficiency ）-阴极发射出的光电子数量 与入射光光子的数量比，用以表诉CCD在不同波长下的响应 值
●在同一波长下 值越高 在同一波长下QE值越高 在同一波长下 值越高CCD品质 品质 越好 ●CCD对于不同波长的光的响应时 对于不同波长的光的响应时 间的敏感度不同 ●背照式 背照式CCD比前照式 比前照式CCD有更好 背照式 比前照式 有更好 的量子效率 ●多数衡量 高低是在 多数衡量QE高低是在 多数衡量 高低是在425nm波长 波长
CCD像素合并 像素合并
像素合并（ 像素合并（Binning） ） -将相临的像素所堆积的电荷进 将相临的像素所堆积的电荷进 行合并并当作一个单一的像素 输出信号 -提高灵敏度（2x2bin提高 倍 提高灵敏度（ 提高4倍 提高灵敏度 提高 灵敏度） 灵敏度） -降低分辨率（2x2bin降低一半 降低分辨率（ 降低分辨率 降低一半 的分辨率） 的分辨率）
第8章-光电子技术应用举例
8.3 光盘存储
二、DVD与CD区别
DVD的特点是存储容量比现在的CD大得多 1．短波长激光 CD播放机和CD-ROM驱动器采用波长为780nm的红外光来读出盘 上的信息。DVD刻录机和播放机就需要采用波长更短的激光源。 2．大记录区域 DVD盘光道之间的间距由原来的1.6μm缩小至0.74μm，而记录信息 最小凹凸坑长度由原来的0.83μm缩小到0.4μm， DVD盘的记录区域从 CD盘的86 cm2提高到86.6 cm2。
8.2 摄像机和数码相机
单反相机是目前最流行的相机，“单反”是指用一个镜头反光， 取景和曝光共用一个镜头。在系统中，巧妙地设计了反光镜和五棱 镜。取景时，反光镜将光线反射到五棱镜上，再进入取景器，摄影 者可以直接观测到影像；拍摄时，将反光镜抬起，光线直接入射到 感光元件上。摄影和取景共用一个镜头，保证了取景时看到的景物 和拍摄的景物完全一致，解决了拥有独立取景镜头旁轴相机或双反 相机的视差问题
8.3 光盘存储
3．双面和多层记录. 使用盘片的两个面记录数据。
8.4 全息技术应用
一、全息干涉 全息干涉计量是指利用全息照相的方法获得两个光波一个光波是标 准波前，另一个光波是变形物体产生的变形波前，并使两光波进行干涉 度量比较的计量技术。 最常用的方法是单次曝光法、两次曝光法和时间平均法。
光电子技术基础
第8章光电子技术应用举例
厚德博学
求实创新
8.1光电成像系统的应用
一、线性CCD的应用
线阵ＣＣＤ常用于几何量的测量，如位移、直径等。图８.1（ａ）所示为用投影 方式测量某小型零件直径原理图，线阵ＣＣＤ放在被测对象后面，用平行光照射被
测目标，没有被被测目标遮挡的光线直接入射到ＣＣＤ单元上，而被被测物体遮挡
CCD器件概述最新
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第三层：“感光层 ” 。这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信 号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。
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CCD的工作性能与其单位面积上的感光像素始终存在着一种固有的矛
盾：一方面，要确保CCD的工作性能，单位面积上CCD像素数就不能
无限增加。因为单位面积像素数越多，意味着像素尺寸越小，导致感
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第二层：“分色滤色片” 。目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另 一个则是CMYK补色分色法。这两种方法各有优缺点。RGB分色法是通过Red, Green和Blue这三个通道的颜色调节而成。CMYK是由四个通道的颜色配合而成，
青(C)、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来
光度降低、信噪比下降、动态范围减小，影响其性能。另一方面，为
了提高CCD的工作性能，如提高CCD的分辨率、动态范围等，又需要
增加CCD的像素数，因此只能通过增大CCD的面积来提高CCD的性能。 但是增大CCD的面积虽然可以增加像素数，却会导致CCD的制造成本 剧增，显然也不是一个有效的解决办法。 因此只有突出传统CCD的思路，改变CCD的设计结构，才能从根本上 提高CCD的工作性能，满足现代摄影摄像对CCD更高的要求。
但目前国内CCD器件的研究进展尚不够迅速, 与国际先进水平相比 差距很大。
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CCD 的应用领域
依靠业已成熟的MOS集成电路工艺, CCD技术得以迅速
发展。CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电 信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。 其体积小、重量轻、功耗小、性能稳定、灵敏度高、 动态范围大、响应速度快、生产成本低等优点，使得 CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应 用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。
视觉传感技术的应用及工作原理
视觉传感技术的应用及工作原理视觉传感技术是传感技术七大类中的一个，视觉传感器是指通过对摄像机拍摄到的图像进行图像处理，来计算对象物的特征量(面积、重心、长度、位置等)，并输出数据和判断结果的传感器。
视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。
视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。
视觉传感的工作原理视觉源于生物界获取外部环境信息的一种方式，是自然界生物获取信息的最有效手段，是生物智能的核心组成之一。
人类80%的信息都是依靠视觉获取的，基于这一启发研究人员开始为机械安装“眼睛”使得机器跟人类一样通过“看”获取外界信息，由此诞生了一门新兴学科——计算机视觉，人们通过对生物视觉系统的研究从而模仿制作机器视觉系统，尽管与人类视觉系统相差很大，但是这对传感器技术而言是突破性的进步。
视觉传感器技术的实质就是图像处理技术，通过截取物体表面的信号绘制成图像从而呈现在研究人员的面前。
视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。
图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。
在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。
例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。
此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在360 度范围内旋转，视觉传感器都能做出判断视觉传感技术的出现解决了其他传感器因场地大小限制或检测设备庞大而无法操作的问题，由此广受工业制造界的欢迎。
视觉传感技术包括3D视觉传感技术，3D视觉传感器具有广泛的用途，比如多媒体手机、网络摄像、数码相机、机器人视觉导航、汽车安全系统、生物医学像素分析、人机界面、虚拟现实、监控、工业检测、无线远距离传感、显微镜技术、天文观察、海洋自主导航、。
视觉检测基础知识
视觉检测的基础知识内容概略：一、光源二、镜头三、相机四、分辨率、精度、公差间的关系视觉检测的基础知识（一）光源觉检测硬件构成的基本部分和光源相关的最重要的两个参数就是光源颜色和光源形状。
2016-7A p o l工业机器视觉系统的前沿应用视一、什么是颜色？颜色是通过眼、脑和我们的生活经验所产生的一种对光的视觉效应，我们肉眼所见到的光线，是由波长范围很窄的电磁波产生的，不同波长的电磁波表现为不同的颜色，对色彩的辨认是肉眼受到电磁波辐射能刺激后所引起的一种视觉神经的感觉。
颜色具有三个特性，即色相，饱和度和明亮度。
▼简单讲就是光线照到物体，反射到眼中的部分被大脑感知，引起的一种感觉。
通过色相Hue，，饱和度Saturation和明亮度Value来表示，即我们常说的HSV。
当然，颜色有不止一种表示方法，RGB三原色也是另外一种表示方法。
但是对人类最直观感受的方式是HSV。
二，什么是HSV？色相Hue▼如果将色彩分类，可分为含有颜色的有彩色与不含颜色的无彩色（黑、白、灰）两种。
在有彩色中，红、蓝、黄等颜色的种类即称为“色相（Hue）”。
▼作为主要色相有红、黄、绿、蓝、紫。
以这些色相为中心，按照颜色的光谱将颜色排列成环状的图形我们称之为“色相环”。
使用此色相环我们即可求得中间色与补色。
饱和度Saturation▼饱和度（Saturation）是指颜色的鲜艳度，表示色相的强弱。
颜色较深鲜艳的色彩表示“饱和度较高”，相反颜色较浅发暗的色彩表示“饱和度较低”。
饱和度最高的颜色称为“纯色”，饱和度最低的颜色（完全没有鲜艳度可言的颜色）即为无彩色。
明亮度Value▼明亮度（Value）表示颜色的明暗程度。
无论有彩色还是无彩色都具有明亮度。
明亮的颜色表示“明亮度较高”，相反暗的颜色表示“明亮度较低”。
无论有彩色还是无彩色，明亮度最高的颜色即为白色，明亮度最低的颜色即为黑色。
也就是说，有彩色的明亮度可用与该亮度对应的无彩色的程度进行表示。