视觉传感器.docx

1、视觉传感器 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

2、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13

3、0万像素,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

4、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

5、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13微米。光照射到CCD光敏单元上，栅极附近

6、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光敏单元依次相邻排列（间隔13微米），耗尽区可以交叠，即发生势阱“耦合”。势阱中的电子（光生电荷）将在互相耦合的势阱间流动。三个相邻栅极分别加以时钟脉冲，按照驱动脉冲时序，栅极下光生电荷延半导体表面按一定方向逐个单元转移。电荷注入

7、方式分为光注入和电注入。CCD器件的光注入方式有3种，分别是正面照射方式、背面照射方式和微孔直接照射方式。正面照射方式是光子在栅极通过透明的SiO2绝缘层进入耗尽区；背面照射方式是光从基底射入耗尽区；微孔直接照射方式是在光敏单元的中心电极下开小孔，入射光直射到硅片上。由于CCD正面布置很多电极（金属栅极），电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射低，即使是透明的多晶硅电极，也会因为电极的吸收以及SiO2-Si界面上的多次反射而引起光波干涉，出现干涉条纹使光谱响应曲线出现起伏，所以背面照射方式比正面照射方式要好一些。电注入就是CCD通过输入结构ID-IG对输入模拟信号（电压或电流）

8、进行采样，然后将其转换为信号电荷注入响应势阱中。电注入二极管ID由N+扩散区和P基底构成，IG为CCD的输入栅极，其上加适当正偏压，保持开启并作为基准电压。输入模拟信号加到ID上，响应势阱保持高电平，通过PN结注入基底的电子流进入响应势阱中。 CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号转存器、信号放大器、数摸转换器等项目。并行信号寄存器：用于暂时储存感光后产生的电荷。并行信号转存器：用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大。信号放大器：用于放大微弱电信号。数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号。 数码相机的CCD由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层组成1. 微型镜头微型镜头为

9、CCD的第一层，我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。2. 分色滤色片分色滤色片为CCD的第二层，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。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分

10、色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上3. 感光层感光层为CCD的第三层，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

11、送到影像处理芯片，将影像还原。CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，二后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，民用产品。CCD的基本特性参数：1、响应度（光电转换因子）：k=I/2、光谱特性：响应度与入射光频率或波长的关系。3、暗电流：没有光信号入射时，少数热电载流子聚集在电极下形成转移电流。4、分辨率：分辨图像的能力。(N*p)做大被测物尺寸：D=L/=N*p/L最大成像尺寸N光敏单元数P光敏单元中心距光学系统放大倍率

12、5、均匀性：各光敏单元对光强度相应的一致性。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。下面介绍几个CCD的应用1、传真机数码机：传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的

13、区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周着复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。2、CCD色彩数码机:一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。“自动导星”技术：CCD导星装置缓解干扰效应： CCD多次曝光，取其平均值去除背景噪声： dark frame3、CCD在天文学中的应用

14、：CCD应用于轨道或者道路质量的检测、CCD应用在轨道或桥梁的振动曲线的测量。4、CCD在交通中的应用:在铁轨对中性检测中，应用铁轨检测车，对铁轨铺设的多个验收参数进行检测，利用 CCD器件，检测铁轨中心的偏移量。而在智能路面破损采集系统中，通过装置在测量车尾的CCD相机采集实时路面破损影像；并通过车顶的GPS接收器，对采集来的每一帧破损图像进行卫星定位。最后通过破损图像处理程序对采集的路面影像进行分析处理，将裂缝、龟裂、泛油等病害图像鉴别出来，并将破损图像对应的GPS位置信息，提供给高速公路的养护部门，方便他们对破损路面进行维护。CMOS，全称Complementary Metal Oxid

15、e Semiconductor，即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）集成在一块硅片上。该技术通常用于生产RAM和交换应用系统，在计算机领域里通常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的ROM芯片。 CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。自1958年美国德克萨斯仪器公司(TI)发明集成电路（IC）后，随着硅平面技术的发展

16、，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃。 MOS是金属-氧化物-半导体结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为 CMOS-IC。 目前数字集成电路按导电类型可分为双极型集成电路（主要为TTL）和单极型集成电路（CMOS、NMOS、PMOS等）。CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦数量级。 CMOS发展比TTL晚，但是以其较高的优越性在很多场合逐渐取代了TTL。优越性如下：1.CMOS是

17、场效应管构成，TTL为双极晶体管构成 2.CMOS的逻辑电平范围比较大（515V），TTL只能在5V下工作 3.CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差 4.CMOS功耗很小，TTL功耗较大（15mA/门） 5.CMOS的工作频率较TTL略低，但是高速CMOS速度与TTL差不多相当集成电路的详细信息：1TTL电平： 输出高电平2.4V,输出低电平=2.0V，输入低电平=0.8V，噪声容限是0.4V。 2CMOS电平： 1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。 3电平转换电路： 因为TTL和CMOS的高低电平的值不一样（ttl

18、5vcmos 3.3v），所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。 4驱动门电路 OC门，即集电极开路门电路，OD门，即漏极开路门电路，必须外接上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。 5TTL和CMOS电路比较： 1）TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件。 2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。 CMOS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。 CMOS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象

19、。 3）CMOS电路的锁定效应： CMOS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，CMOS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。 防御措施： 1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。 2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。 3）在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。 4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启CMOS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭CMOS电路的电源。 6C

20、MOS电路的使用注意事项 1）CMOS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。 2）输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。 3）当接长信号传输线时，在CMOS电路端接匹配电阻。 4）当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。 5）CMOS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏CMOS。 7TTL门电路中输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）： 1）悬空时相当于输入端接高电平。因为这时

21、可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。 2）在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。CMOS门电路就不用考虑这些了。 8TTL和CMOS电路的输出处理 TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢？那是因为当三机管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经

22、过三极管的集电极的电流也就不是真正的0，而是约0。而这个就是漏电流。开漏输出：OC门的输出就是开漏输出；OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。CMOS集成电路的制造过程： 1.p肼CMOS工艺 p肼CMOS工艺采用轻掺杂的N型衬底制备PMOS器件。为了做出N型器件，必须先在N型衬底上做出P肼，在p肼内制造NMOS器件。 典型的P肼硅栅CMOS工艺从衬底清洗到中间测试，总共50多道工序，需要5次离子注入，连同刻钝化窗口，共10

23、次光刻。下面结合主要工艺流程来介绍P肼硅栅CMOS集成电路中元件的形成过程。 （1）光1光刻肼区，刻出肼区注入孔。 （2）肼区注入及推进，形成肼区。 （3）去除SiO2,长薄氧，长Si3N4 （4）光2反刻有源区（光刻场区），反刻出P管、N管的源、漏和栅区。 （5）光3光刻N管场区，刻去N管区上的胶，露出N管场区注入孔。N管场区注入，以提高场开启，减 少闩锁效应及改善肼的接触。 （6）长场氧化层，出去Si3N4，再飘去薄的SiO2，然后长栅氧化层。 （7）光4光刻P管区。p管区注入，调节PMOS管的开启电压，然后长多晶硅。 （8）光5反刻多晶硅，形成多晶硅栅及多晶硅电阻。 （9）光6光刻P+区

24、，刻去P管及其他P+区上的胶。P+区注入，形成PMOS管的源、漏区及P+保护环。 （10）光7光刻N+区，刻去N+区上的胶。N+区注入，形成NMOS管的源、漏区及N+保护环。 （11）长PSG （12）光8光刻引线孔。可在生长磷硅玻璃后先开一次孔，然后再磷硅玻璃回流及结注入推进后再开第二次孔。 （13）光9反刻铝引线。 （14） 光10光刻压焊块。 CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者 都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。 CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中

25、，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。 造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。 由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括： 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

26、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。 3. 分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的

27、每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，目前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25m，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。 4. 噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘

28、的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。 5. 功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到1218V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保

29、持在90mW 以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。 综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品。视觉传感器的应用领域：视觉传感器的低成本和易用性已吸引机器设计师和工艺工程师将其集成入各类曾经依赖人工、多个光电传感器，或根本不检验的应用。视觉传感器的

30、工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。在汽车组装厂，检验由机器人涂抹到车门边框的胶珠是否连续，是否有正确的宽度。在瓶装厂，校验瓶盖是否正确密封、装灌液位是否正确，以及在封盖之前没有异物掉入瓶中。 在包装生产线，确保在正确的位置粘贴正确的包装标签。在药品包装生产线，检验阿斯匹林药片的泡罩式包装中是否有破损或缺失的药片。在金属冲压公司，以每分钟逾150片的速度检验冲压部件，比人工检验快13倍以上。视觉传感器为应用的切换提供了无与伦比的灵活性。例如，生产工序的切换（从单份装酸奶切换成冰淇淋桶）可能仅需数秒钟，并且可遥控完成。附加的检验条件可轻松地添加到此应用中。 人工检验和视觉传感器之

31、比较无论工厂自动化有何进步，许多检验仍用肉眼来完成。但是，在大多数应用中，视觉传感器的许多优势非手动检验流程所能及。视觉传感器能够以高得多的速度工作；以低得多的成本执行重复、多次、一致的检验。不断扩展的应用范围视觉传感器的低成本和易用性已吸引机器设计师和工艺工程师将其集成入各类曾经依赖人工、多个光电传感器，或根本不检验的应用。视觉传感器的工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。对于视觉传感器而言，这是一个激动人心的时刻。曾经需要大量专业知识的技术，现在变得经济、易用。采用该技术的未来产品开发将继续此趋势。现在的挑战是如何让各个行业意识到视觉传感器在所有制造领域的潜力，其中包括质量控制、测量和检验流程。机器视觉提高质控效率对于工厂自动化和过程自动化，机器视觉是实现真正意义的自动的基础和一种重要的质量控制的手段。以下是欧姆龙对国内机器视觉市场的一些看法。机器视觉，顾名思义就是使用机器的自动化方法，实现类似人类视觉（眼睛+视觉神经中枢+视觉神经细胞）的功能。对于工厂自动化和过程自动化，机器视觉是实现真正意义的自动