模块7 现代新型传感器.ppt

一、CCD图像传感器简介CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS（金属-氧化物-半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成栅极。栅极和P型或N型硅衬垫就形成了规则的MOS电容器阵列。时刻t1，第1相时钟φ1=1，φ2=φ3=0，这时第1组电极1、4、7……下面形成深势阱，可以贮存信号电荷形成“电荷包”,2、5、8……，3、6、9……势阱为0。在t2时刻，φ1=1/2，φ2=1，φ3=0，在第1组电极下的势阱变浅，而第2组(2、5、8……)电极下形成深势阱，信息电荷从第1组电极下面向第2组转移。t3时刻，φ2=1，φ1=φ3=0，信息电荷全部转移到第2组电极下面。重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3。传输过程中继续光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，出现模糊现象。有必要把摄像区和传输区分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。二、CCD图像传感器电荷转移与传输（a）驱动信号（b）电荷转移三相CCD驱动和转移示意图可用虹吸雨量收集类比CCD电荷转移过程，雨滴表示光子，小盆表示像元，盆深度表示像元容纳的电荷，虹吸泵表示CCD的移位寄存器，雨量筒表示CCD的输出放大器。则电荷的转移过程与右图所示雨量收集方法一致。一行收集结束准备好下次雨水收集电荷信号的转移和传输动画1.CCD图像传感器的分类CCD图像传感器分类三、CCD图像传感器的分类和基本参数（b）面阵CCD（a）线阵CCD2．CCD图像传感器的基本参数①光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。②动态范围表征同一幅图像中最强但未饱和点与最弱点强度的比值。数字图像一般用DN表示。③非均匀性全部像素对同一波长、同一强度信号响应能力的不一致性。④非线性度对于同一波长的输入信号，其输出信号强度与输入信号强度比例变化的不一致性。⑤分辨率包括灰度值分辨率和空间分辨率。灰度值分辨率是利用图像多级亮度来表示分辨率的方法，机器能分辨给定点的测量光强度，所需光强度越小则灰度值分辨率就越高；空间分辨率是指CCD分辨精度的能力，通常用像素来表示。四、色彩信息的获取1.采用分光棱镜和3个CCD器件利用棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基本色分开，使其分别投射在一个CCD上。这样一来，每个CCD就只对一种基本色分量感光。效果好，但结构复杂，价格昂贵。3CCD彩色成像原理图2.采用单一CCD器件配合拜尔滤镜将称拜尔滤镜加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色。每个像素都接收到感光信号，但色彩分辨率不如感光分辨率。采用每四个感光单元为一组，分别获取G、B、R、G光度信号并合成为一个像素点色彩信息。单CCD彩色成像原理图1.平面扫描仪可移动光源在步进电机带动下扫描原稿，线阵CCD接收到这些信号后，经模数（A/D）转换器将其转换成计算机能读取的信号，通过驱动程序转换成显示器上能看到正确图像。（a）光路图扫描仪工作原理及结构（b）结构五、CCD传感器应用案例扫描仪工作过程动画2.数码摄像机外界景物通过镜头照射到CCD彩色图像传感器上，传感器在扫描电路的控制下，将变化的外界景物以25帧／s的速度转换为串行模拟脉冲信号输出，经A/D转换并处理存储，信息还原后并按规定速率播放即可形成动态影像。数码摄像机工作原理机器人是由计算机控制的复杂机器，具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；既可以接受人类指挥，又可以运行预先编制的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。可协助或取代人类工作的工作，如危险或高劳动强度的工作，或恶劣环境如井下、深海或火星、月球探测作业等。单元5机器人传感技术火星探测器实物图水下章鱼机器人实物图例如，多振动智能传感器2．基于新的检测原理和结构，实现信号处理的智能化D7F振动传感器三轴振动传感器3．研制人工智能材料是当今实现智能