视觉传感器 _原创精品文档.pdfVIP

视觉传感器

人类凭借视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这五种感觉器官从外界

直接获取信息，再通过大脑分析和判断后作出相应反应。随着科技技

术的发展和人类社会的进步，人类在认识和改造自然的活动中，单靠

自身的感觉器官已远不能满足要求。因此，一系列代替、加强和补充

人类感觉器官功能的方法和手段应运而生，出现了各种用途的传感

器，也称之为电五官。传感器是人类在当今信息时代准确可靠地获取

自然和生产领域相关信息的主要工具，它在工农业生产、航空航天、

海洋探测与开发、资源和环境保护和利用以及生物医学工程等诸多领

域有着广泛的应用，在提高基础科学研究水平，发展经济和推动社会

进步方面有着重要的作用。在某种程度上说，机械延伸了人体的体力，

计算机延伸了人类的智力，而传感器则延伸了人类的感知力。传感器

的发展推动着生产和科技的进步，生产和科技的进步反过来也要求和

支持着传感器的发展和进步。

人们通过感官从自然界获取各种信息，其中以人的视觉获取的信

息量最多，约占信息总量的80%。人的视觉是以光为刺激源的一种感

觉，人的眼睛是一个光接受系统，即外界信息由光的作用以影像的方

式投射到人类的视网膜上，这一影像信息传输到大脑而引起反映和做

出判断，这一过程就是一个视觉过程。

视觉传感器是指：具有从一整幅图像捕获光线的数发千计像

素的能力,图像的清晰和细腻程度常用分辨率来衡量,以像素数量

表示,邦纳工程公司提供的部分视觉传感器能够瞧捕获130万像素,

因此,无论距离目标数米或数厘米远,通过传感器都能看到细腻的

目标图像,视觉传感器应用其本要素是掌握如何应用视觉传感器

的两个关键点的照明和软件工具。

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。

视觉传感器可以扩展人的视觉范围，使人们看到视觉范围以外的

微观世界和宏观世界。由于客观世界中物体的形态和特征是相当复杂

的，所以单独利用在光电技术基础上发展起来的视觉传感器来实现对

三维物体的识别，目前在技术上还存在着很大的难度和诸多挑战。但

视觉技术的发展，虽然时间短但速度很快，信息摄取方法已由一维信

息处理发展到二维及三维复杂图像处理，敏感器件已有由简单的一维

光电管线阵发展到二维光电耦合器件（CCD）面阵。利用CCD类器

件制成的视觉传感器有较高的几何精度、更大的光谱范围、更高的灵

敏度和扫描速率，其结构尺寸小、功耗低，并且工作可靠。

CCD是利用内光电效应，由单个光敏单元集成的一种光传

感器，它集电荷存储、移位和输出为一体。单个光敏单元叫像素，

它以一定尺寸大小按某一规则进行排列，从而组成CCD线阵或面

阵。CCD有两种基本类型：一种是光生电荷存储在半导体与绝缘

体的界面上，并沿界面转移，称作表面沟道电荷耦合器件

（SCCD）；另一种是光生电荷存储在离半导体表面一定深度的体

内，并在体内沿一定的方向转移，称作体沟道或埋沟道电荷耦合

器件（BCCD）。下面以SCCD为例，讨论CCD的工作原理。

组成CCD的基本单位是MOS光敏单元，是一种金属-氧化

物-半导体结构的电容器。在一个P型Si基片上热氧化生成约0.1

微米厚的氧化层，再在SiO2层上沉积一层金属电极构成一个孤立

的MOS电容器，电容器的间隔大约1～3微米。光照射到CCD

光敏单元上，栅极附近硅层产生电子穴（空穴）被栅极电压所决

定的电势排斥，少数载流子被收集在势场中，形成光生电荷。

光敏单元存储光生电荷的能力，取决于栅极上所加正阶跃电

压U。当栅极未施加U时P型Si的空穴分布均匀，施加U后，

空穴被排斥，产生耗尽区。增加U值，耗尽区向半导体内延伸。

当U大于阈值电压时，氧化层对P型Si体内的电势足够大，形

成一个稳定的耗尽区。此时，光生电子被耗尽区所吸收。

多个MOS