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1、1 项目7 视觉传感器及其应用 7 1 光导视觉传感器 7 2 CCD视觉传感器 7 3 CMOS视觉传感器 7 4 人工视觉 7 5 视觉传感器应用实例 尼康D2X上所使用的CMOS索尼F828采用的 4色CCD 2 7 1 光导视觉传感器 光导视觉传感器主要用于光导式摄像机 这 种摄像机是由接收部分 光电转换部分和扫描部 分组成的二维视觉传感器 其光导摄像管是一种 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而 制成的真空或充气的光电器件 光导摄像管兼有光电转换功能和扫描功能 一般有真空光电管和充气光电管两类 或称电子 光电管和离子光电管 3 光电式摄像机工作原理 光电式摄像机由接收部分 光电
2、转换部分和 扫描部分组成二维视觉传感器 其光导摄像管是一种兼有光电转换功能和扫 描功能的真空管 经透镜成像的光信号在摄像管 的靶面上作为模拟量而被记忆下来 从阴极发射 的电子束依次在靶面 光电转换面 上扫描 将视 觉的光信号转换成时间序列的电信号输出 4 光导摄像管构成原理 5 视觉传感器单个像素的光电变换原理 光电靶面上每一个像素均可看作由电容C 光照时导 电性增强的光电基元GL 不照射时也导电的暗电流基元GD 等并联的电路 电子束扫描到该像素时开关S闭合 电容C在瞬间被Er 充电 扫描移到邻近像素时 S打开 当S打开时 如有光 照在GL上 将产生电荷 它同C上的电荷中和一部分 下 次扫描到
3、该点时S再次闭合 已被中和了的C又被充电 充 电电流Ic流过RL 电压IcRL同该点受光照射的强度有关 IcRL即为视觉的输出 6 7 2 CCD视觉传感器 哈苏3900万像素数码单反相机 7 PMT视觉传感器 PMT是最早出现的视觉传感器 从上世纪五十 年代发展到现在 技术已经非常成熟 是目前性 能最好的传感器 PMT就像一个圆柱体小灯泡 直径约一寸 长 度约二寸 内置多个电极 将进入的光信号转化 为电信号 即使很微弱的光线也可准确补捉 类似小灯泡的 传感器 PMT 8 CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的 与电脑晶片CMOS技术相似 也可作电脑记忆体 及逻辑运作晶片 CCD是一种特殊的
4、半导体材 料 由大量独立的感光二极管组成 一般这些感 光二极管按照矩阵形式排列 富士公司的Super CCD除外 CCD的感光能力比PMT低 但近年来CCD 技术有了长足的进步 又由于CCD的体积小 造价低 所以广泛应用于扫描仪 数码相机及数 码摄像机中 目前大多数数码相机采用的视觉传 感器都是CCD CCD视觉传感器 9 7 2 1 CCD电荷耦合器件 CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS 金属一氧 化物一半导体 电容器组成的阵列 用于实现光电转换 信号储存 转移 输出 处理及用作电子快门等 CCD特点 1 体积小重量轻 功耗低 可靠性高 寿命长 2 空间分辨率高 3 光电灵敏度高 动
5、态范围大 4 模拟 数字输出方便 与微机接口方便 10 CCD究竟是什么 CCD传感器又叫电荷耦合器 它是一种特殊的 半导体材料 由大量独立的感光二极管组成 一 般按照矩阵形式排列 相当于传统相机的胶卷 11 CCD电极的基本构造 12 CCD电极的工作原理 在CCD固体传感器的电极中 每一个MOS电容 器实际上就是一个光敏元件 像素 假定半导 体衬底是N型硅 当光照射到MOS电容器的N型硅衬 底上时 会产生电子空穴对 光生电荷 电子被 栅极吸引存储在陷阱中 入射光强 则光生电荷多 入射光弱 则光 生电荷少 无光照的MOS电容器则无光生电荷 这 样把光的强弱变成与其成比例的电荷的多少 实 现了
6、光电转换 若停止光照 由于陷阱的作用 电荷在一定时间内也不会消失 可实现对光照的 记忆 13 二维MOS 电容器面阵 14 11100万像素CCD视觉传感器 首款11100万像素CCD视觉传感器 15 MOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合 而为一的结构 称为光积蓄式结构 这种结构最简单 但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间长得多 所 以再生视觉往往产生 拖尾 视觉容易模糊不清 另外 直接采用MOS电容器感光虽然有不少优点 但它对蓝光的透过率差 灵敏度低 现在更多地在CCD视觉传感器上使用的是光敏元件 与移位寄存器分离式的结构 7 2 2 CCD视觉传感器 16 P3 P1 P3 P2
7、P3P2P1P3P2 P2 电荷转移的控制方法 非常类似于步进电机的步进控制 方式 也有二相 三相等控制方式之分 这里以三相控制方 式为例说明控制电荷定向转移的过程 见图 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 a 1 2 3 t0t1t2t3 t b t t0 t t1 t t2 t t3 0 电荷的定向转移 17 二相驱动视频输出 行 扫 描 发 生 器 输 出 寄 存 器 检波二极管 二相驱动 感光区 沟阻 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 感光区 存储区 析像单元 视频输出 输出栅 串行读出 a b 面阵CCD视觉传感器结
8、构 18 光栅报时钟 二相驱动 输出寄存器检波二极管 视频输出 垂直转移 寄存器 感光区 二相驱动 c 面阵CCD视觉传感器结构2 19 隔行传送的二维CCD摄像元件 20 光敏元件与移位寄存器分离式结构 21 图5 4 线阵CCD内部框图 22 7 2 3 CCD视觉传感器的应用 23 1 组成测试仪器可测量物位 尺寸 工 件损伤等 2 作为光学信息处理装置的输入环节 例如 用于传真技术 光学文字识别技术以及 图象识别技术 传真 摄像等方面 3 作自动流水线装置中的敏感器件 例 如 可用于机床 自动售货机 自动搬运车以 及自动监视装置等方面 4 作为机器人的视觉 监控机器人的运 行 固态视觉
9、传感器的用途 24 7 3 CMOS 视觉传感器 佳能数码单反相机EOS D30 采用的CMOS传感器 尼康D2X上所使用的CMOS 25 CCD和CMOS的主要区别 制造上的区别 CMOS和CCD同为半导体 但CCD是集成在半导体单晶材料上 而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上 工作原理的区别 主要区别是读取视觉数据的方法 CCD从阵列的一个角落 开始读取数据 CMOS对每一个像素采用有源像素传感器及晶体 管 以实现视觉数据读取 视觉扫描方法的区别 CCD传感器连续扫描 在最后一个数据扫描完成之后才能 将信号放大 CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电 子信号的放大器 成
10、像方面的区别 CMOS器件产生的视觉质量相比CCD来说要低一些 26 场效应晶体管是利用半导体表面的电场效应进行工作的 也称为表面场效应器件 由于它的栅极处于不导电 绝缘 状态 所以输入电阻很高 最高可达1015 绝缘栅型场效应晶体管目前应用较多的是以二氧化硅为 绝缘层的金属一氧化物 半导体场效应晶体管 简称为 MOSFET MOSFET有增强型和耗尽型两类 其中每一类又有N沟道 和P沟道之分 NMOS管和PMOS管可以组成共源 共栅 共漏三种组态的 单级放大器 也可以组成镜像电流源电路和比例电流源电路 7 3 1 CMOS型光电转换器件 27 CMOS型放大器 28 CMOS型光电变换器件
11、29 利用CMOS型光电变换器件可以做成CMOS视觉 传感器 由CMOS衬底直接受光信号照射产生并积蓄 光生电荷的方式不大采用 现在更多地在CMOS视觉传感器上使用的是 光敏元件与CMOS型放大器分离式的结构 7 3 2 CMOS视觉传感器 30 CMOS线型视觉传感器构成 31 CMOS CCD视觉传感器的结构差异 无论是CCD还是CMOS 它们都采用感光元件作为影像 捕获的基本手段 CCD CMOS感光元件的核心都是一个感光 二极管 该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流 而电流的强度则与光照的强度对应 但在周边组成上 CCD的感光元件与CMOS的感光元件 并不相同 前者的感光元件除了
12、感光二极管之外 包括一 个用于控制相邻电荷的存储单元 感光二极管占据了绝大 多数面积 而CMOS感光元件的构成就比较复杂 除处于核心地位 的感光二极管之外 它还包括放大器与模数转换电路 每 个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管 而感光二 极管占据的面积只是整个元件的一小部分 造成CMOS传感 器的开口率远低于CCD 开口率 有效感光区域与整个感光元件的面积比值 32 CMOS视觉传感器的长处 CMOS视觉传感器易与A D电路 数字信号处理 器DSP电路等集成在一起 CCD视觉传感器只能单一的锁存到成千上万的 采样点上的光线的状态 CMOS则可以完成其它的 许多功能 如A D转换 负载信号处
13、理 白平衡处 理及相机控制 白平衡调整就是通过视觉调整 使 在各种光线条件下拍的照片色彩与人眼看到的景 物色彩一样 CMOS视觉传感器耗电小 其耗电量约为CCD视 觉传感器的1 3 33 CMOS视觉传感器与CCD视觉传感器一样 可 用于自动控制 自动测量 摄影摄像 视觉识别 等各个领域 CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电 CMOS视觉传感器用于数码相机有助于改善 人们心目中数码相机是 电老虎 的不良印象 7 3 3 CMOS视觉传感器的应用 34 7 4 人工视觉 在实现机电系统智能化时 图像识别非常重要 因此 如何实现人眼的部分功能便是关键问题 为此目的 已利用不同形式的视觉传感器
14、研制了从 检查作业对象的有无 测量其大致位置的简易型视 觉 到具有图像识别功能的高级视觉等各种水平的 人工视觉 其中一部分已用于具体实用装置 人工视觉提供了在信息科学乃至人工智能领域 极其有意义的研究课题 35 7 4 1 人工视觉系统的 硬件构成 36 7 4 2 物体识别 1 物体图像信息的输入 识别物体前需先将物体的有关信息输入到计算机 内 被输入的信息主要有明亮度 灰度 信息 颜色信息 和距离信息 这些信息都可用视觉传感器 ITV CCD等 取得 明亮度信息可借助A D转换器数字化成4 10比特 形成64X64 1024X1024像素组成的数字图像 然后将 这些数字图像读入计算机 颜色
15、图像可用彩色摄像机摄入彩色图像 也可简单 地用三原色滤光镜 以通过各滤光镜的光量比决定各点 的颜色信息 37 2 图像信息的处理技术和方法 输入的图像信息含有噪声 且并非每个像素 都具有实际意义 因此 必须消除噪声 将全部 像素的集合进行再处理 以构成为线段或区域等 有效的像素组合 从所需要的物体图像中去掉不 必要的像素 这就是图像的前处理 用一般的串行计算机处理二维图像 运算时 间很长 为了缩短时间 可用专用图像处理器 这种处理器有局部并列型 完全并列型 流水线 型 多处理器型等 38 3 物体图像的识别 首先输入被识别物体的图像模型 并抽出其几何形状特 征 然后用视觉传感器输入物体的图像并
16、抽出其几何形状特 征 用比较判断程序比较两者的异同 如果各几何形状特征相同 则该物体就是所需要的物体 物体的几何形状特征一般是面积 周长 重心 最大直 径 最小直径 孔的数量 孔的面积之和等等 这些几何量 可根据图像处理所得到的线架图求得 例如连杆的周长 像素数 如果与预先输入的连杆图像的 周长 像素数 相同 即可确认是连杆 若有 两个物体图像的某一几何特征 如周长 其像素数相同 可 对其上孔的数量或其它几何特征进行比较 从而确切识别出 各种物体 39 4 立体视觉 距离信息是处理三维图像不可缺少的 而距 离计测多以三角原理进行处理 立体视觉使用两 台视觉传感器 象人类的两眼组成立体视觉 通过比较两台摄像机摄入的两个图像而找出 其对应点 再从两个图像内的位置与两台摄像机 几何位置的配置 决定相当于对应点对象物体上 一点的距离信息 距离的检测也可使用一台视觉 传感器和一台激光发射器 当测知角r 及距离L 时 即可运用三角原理计算出到被测物体上A点的 距离 40 7 5 视觉传感器应用实例 41 顾客 申请单 光源 CCD 线型 视觉 传感 器 放 大 器 自动 誊写机 纸 打 印 机 月
