自动检测技术及应用第2版梁森103检测课件10下，CCD热成像光纤2013319章节.ppt

机电类《自动检测技术》第十章（下）多媒体课件统一书号：ISBN 978-7-111-40710-2课程配套网站或 2013年1月版 第十章（下） 光电传感器 目录 10.5 图像传感器及应用 10.6 热成像技术及应用 10.7 光导纤维传感器及应用 第五节 图像传感器及应用 图像传感器可以分为CMOS和CCD两大类。它们具有光电转换、信息存储和传输等功能。 CCD具有集成度高、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于军事、卫星、医疗、天文、图像识别、工业显微镜等领域。 CMOS具有价廉、集成度高，耗电量不到CCD的1/10、发热小，响应速度快、感光面积大等特点，多用于视频设备、照相机、监视器等。 本多媒体课件重点介绍CCD和CMOS图像传感器在工业检测和自动控制系统中的应用。 一、CCD图像传感器的工作原理 一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、模拟移位寄存器，以及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD的光敏元实质上是一个MOS电容器,它能存储电荷。在设定的CCD积分时间内,光敏元对光信号进行短暂取样,将光的强弱转换为视界内的各光敏元的电荷量。取样结束后,各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下,转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到视频输出端。输出信号可接到图像显示器或其他信号存储、处理设备中,并进行信号再现,或进行存储处理。 MOS电容器组成的光敏元 a）结构示意图 b）CCD光敏元显微结构 1－P型硅衬底 2－耗尽层边界（虚线） 3－SiO2 4－金属电极 MOS电容器组成的光敏元的显微照片 二、CCD图像传感器的分类 CCD图像传感器有线阵和面阵之分。 所谓线阵是指在一块硅芯片上制造了紧密排列的许多光敏元，它们排列成一条直线，感受一维方向的光强变化；所谓面阵是指将光敏元排列成二维平面矩阵，感受二维图像的光强变化，可用于数码照相机。线阵的光敏元件数目从256个到4096个或更多；而在面阵中，光敏元的数目可以是600×500个、4096×4096个以上。CCD图像传感器还有单色和彩色之分，彩色CCD可拍摄色彩逼真的图像。 1.线阵CCD 线阵CCD由排成直线的MOS光敏元阵列、转移栅、读出移位寄存器、视频信号电路和时钟电路等组成。转移栅的作用是将光敏元中的电子包“并行”地转移到奇、偶对应的读出移位寄存器中去,然后再合二为一,恢复光生信号在线阵CCD上的原有顺序,传送到视频输出端。 线阵CCD外形 2.面阵CCD 线阵CCD只能在一个方向上实现电子自扫描。为了获得二维图像，人们在1/2in（英寸）或更大尺寸上研制出了能在x、y两个方向都能实现电子自扫描的面阵CCD。 面阵CCD由感光区、信号存储区和输出移位寄存器等组成，根据不同的型号，有多种结构形式的面阵CCD。 4×4帧转移面阵CCD的结构及工作原理 在光敏元曝光（或叫光积分）期间,整个感光区的所有光敏元的金属电极上都施加正电压,使光敏元俘获受光照衬底附近的光生电子。曝光结束时刻,在极短的时间内，将感光区中整帧的光电图像电子信号迅速转移到不受光照的对应编号存储区中。 三相CCD移位寄存器结构及电子包的转移过程 a）侧视图 b）正视图 c）三相时钟的变化时序 d）电子包的转移过程 3 .彩色CCD 单色CCD只能得到具有灰度信号的图像。 为了得到彩色图像信号，可将3个（或4个）像素一组，排列组成等边三角形或其他方式。每一个像素表面分别制作红、绿、蓝（即R、G、B）三种滤色器，形如三色跳棋盘。 每个像素点只能记录一种颜色的信息，即红色、绿色或蓝色。在图像还原时，必须通过插值运算处理来生成全色图像。 彩色CCD结构示意图 彩色CCD显微照片（放大7000倍） 红绿蓝三色光谱响应曲线 面阵CCD外形 1/2.5英寸的面阵CCD的尺寸为5.38×4.39mm； 36mm×24mmCCD等效于35mm。 面阵CCD的画幅示意图 . 面阵CCD外形（续） 1600万像素的面阵CCD 面阵CCD外形（续） 三、CCD图像传感器的应用 线阵CCD可用于一维尺寸 的测量，增加机械扫描系统， 也可以用于大面积物体 （如钢板、地面等）尺寸的测量和图像扫描。 例如彩色图片扫描仪、卫星用的地形地貌测量等，彩色线阵CCD还可用于彩色印刷中的套色工艺的监控等。 面阵CCD除了可以用于拍照外，还可以用于复杂形状物体的面积测量、图像识别（如指纹识别）、印制电路板焊点短路识别等。 线阵CCD在图像扫描中的应用 1－辉光放电管光源 2－平板玻璃 3－原稿 4－反光镜1 5－反光镜2 6－透镜 7－CCD 安装在扫描仪内部的可移动