CCD与CMOS技术介绍

机器视觉图像传感器CCD与CMOS技术工业相机技术北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A主要内容北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A相机是由很多感光半导体单元（像素）构成的矩阵；像素在聚焦的入射光作用下产生光生电荷，入射光的亮度决定产生的电荷的多少。对像素上产生电荷扫描读出变成图像信号；信号强度随时间变化；成像原理北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A通常的视频信号伴随垂直同步信号和水平同步信号垂直同步信号定义屏幕的起始点(VSYNC)水平同步信号定义扫描线的起始点(HSYNC)构成三要素：信号强度+垂直同步+水平同步成像原理北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A成像扫描方式分类北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1AVDDVSSrowselectcolumnoutputphotodiodereset 成像器件分类： 成像器件 电子管 外光电效应型(吸收光发出自由电子) 光电像管Iconoscope 正析像管Orthicon 超光电像管superIconoscope 超正析像管superOrthicon 内光电导效应型(电阻率随光量变化) 视像管Vidcon 氧化铅管Plumbicon 硒砷锑管Saticon 硅靶管 固体摄像器件 MOS摄像器件 CCD摄像器件北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A 成像器件分类： 成像器件北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A直径(英寸)：3，1.5，1，2/3，1/2，1/3，1/4。超正析像管：惰性小噪声大。视像管：电场和长磁场聚焦；网电极保证电子束垂直上靶。固体摄像器件：无须扫描和聚焦(按像素移位)，光谱响应宽，功耗低，可集成处理电路。有电荷耦合CCD和CMOS摄像器件。成像器件北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A成像器件北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A成像器件北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A成像器件北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A主要内容北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A-采用芯片的等级（芯片的坏点、缺陷数量等）-芯片噪声大小-像素对光照响应的线性度-像素对光照响应的一致性-动态范围-电路噪声大小-电路A/D精度工业相机与CCTV相机的主要区别：工业相机与CCTV相机的区别-帧速率的高低-分辨率大小-抗光晕功能-异步重置功能即外触发功能-RS232北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A 逐行扫描 高速或高分辨率 电子快门 可变的异步触发 高灵敏度 好的温度适应范围 紧凑的外形 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 简单易用且坚固的接口工业相机的主要技术特点北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A主要内容北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A目前，市场上的工业相机的种类繁多。而且各个厂家每年都在推出新产品。如何选择合适的相机，是我们从事图像应用研究和工业机器视觉业者十分关心的问题。通常可将相机进行的分类。常见分类方式有以下几种：工业相机分类 按芯片结构和靶面类型分类 按相机的输出接口方式分类北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A按芯片结构和靶面类型分类工业相机分类北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A工业相机分类面帧芯片相机面阵芯片:相机靶面为面阵芯片，几乎所有相机的制造商，都在生产此类相机。 按输出方式:模拟相机和数字相机 按分辨率:可分为高分辨率和低分辨率相机 按其数据采集速率:高速和常速相机。面阵相机是工业机器视觉和科研应用最广泛的相机。北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A线阵芯片：相机靶面为单线传感器的芯片，我们称其为线扫描相机。线阵相机，分辨率从512到8192，大部分为黑白相机，也有部分为彩色线扫描相机。线扫描相机的特点是采用较低的成本，实现高分辨率和高速采集处理。广泛应用于工业机器视觉；如纺织品检测，高精度文件扫描，纸张，玻璃，印刷品在线检测。工业相机分类面帧芯片相机北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1ATDI技术由于采用多级的积分延迟技术，所以相机有极高的灵敏度。但对系统的稳定性要求也极高，常用于遥感测量。TDI线阵芯片:是采用TDI（timedelayandintegration)技术的线扫描芯片。是基于对同一物体的多次曝光累加的概念发展而来的。TDI芯片比常规扫描方式具有更高的灵敏度和信噪比。工业相机分类TDI线阵芯片相机北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A线阵相机（Line-scanCamera） 单列传感器元件 适合稳定高速运动、很宽、很长、圆柱形物体的拍照面阵相机（Area-scanCamera） 逐行(非交错式)扫描(ProgressiveScanning，Non-interlacedScanning) 输出帧频：1,2,…300…帧/秒(Frame)，工业相机常采用 隔行(交错式)扫描(InterlacedScanning) 25/30帧/秒电视技术开始采用，CCTV行业标准视频信号格式隔行扫描相机的CCTV标准视频输出格式: 单色相机: RS170：30帧/秒；北美 CCIR：25帧/秒欧洲中国 复合彩色相机(模拟信号=亮度+色彩) NTSC： 30帧/秒；北美 PAL： 25帧/秒欧洲中国工业相机分类按芯片结构和靶面类型分类北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A数字接口相机 CamLink相机 Fireware1394相机 USB相机 LVDS相机 以太网相机模拟接口相机 CCTV相机 非标准同轴电缆相机 按相机的输出接口方式分类工业相机分类北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A主要内容北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1ACCD基本原理CCD的突出特点是以电荷作为信号，而其他大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1ACCD的单元结构CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS结构。北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A光电荷的产生式中：η为材料的量子效率；q为电子电荷量；Δneo为入射光的光子流速率：A为光敏单元的受光面积；TC为光注人时间。北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A电荷包的储存因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为z：Q＝CoxUG北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A电荷包的转移   CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A电荷包的转移当完成对光敏元阵列的扫描后，CCD将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域。而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器。北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A1.帧转移CCD（Frametransfer) 2.全帧转移CCD(fullframe) 3.行间转移CCD（interlinetransfer) CCD芯片结构北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A全帧传感器的图像感光区和存储区为同一个，因而此类传感器没有光隔离区（无电子快门），需要通过单独的“Strobe”或外部机械快门实现，否则会有较严重的“smear”。与帧转移CCD相比，减小了芯片尺寸，相应降低了相机成本。全帧转移CCD(fullframe)北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A全帧转移CCD(fullframe)北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A它由两部分组成，一部分为感光区域，另一部分为与光隔离的存储区域。感光区感光的的图像转移到存储区，然后转移读出。优点：拥有最大的填充因子和电子快门缺点：芯片尺寸较大，相机成本较高。常用于1Kx1K以下的面阵相机，适合于小分辨率高速相机应用。帧转移CCD（Frametransfer)北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A帧转移CCD（Frametransfer)北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A每个像元分为光敏区和光隔离存储区，光敏区感光后的电荷转移到存储区，然后转移读出。大多数视频标准RS170/CCIR格式的CCD相机和大部分工业用面阵相机多采用此类芯片。优点：具有最快的电子快门，和较小的芯片尺寸。缺点：较小的填充因子和动态范围。为改善灵敏度，通常采用加微透镜阵列的方式。Sony公司的芯片大部分是此类型的芯片。行间转移CCD(interlinetransfer)北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A行间转移CCD(interlinetransfer)北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1ACMOS器件的工作原理北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A种类很多，性能各异，但是通常每个像元拥有自己的电压电荷转换器和一定数量的晶体管（通常为3-5个），用于片上图像信号的放大。通常芯片还包括A/D转换电路，所以芯片能直接输出数字信号，相机便于设计成多通道读出。以获得高速度采集。CMOS还具有寻址功能，可以设置芯片感兴趣区（ROI），使相机在感兴趣区域保持分辨率的情况下有很高的采集速率。CMOS芯片北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A有源CMOS器件原理结构e?Ve?Ve?Ve?Ve?Ve?VCMOS芯片结构北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A应用：民用CMOS相机玩具、监控 工业用CMOS相机高速检测CMOS芯片结构北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A有源像素的电子快门原理 逐行扫描CMOS芯片结构北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1ACCD与CMOS技术优劣 图像传感器主要有CCD(chargecoupleddevice)和CMOS(complementarymetaloxidesemiconductor)两大类，它们有各自的优缺点。 在CCD传感器中，每一个像素的电荷都通过有限数量（通常一个）的输出节点后被转换成电压、缓冲后以模拟信号输出。所有的像素都采光，所以输出一致性较高，这是成像质量好坏的一个重要指标。 在CMOS传感器中，每一个像元都有自己的电荷电压转换器，并且传感器通常也包括数字化电路，因此这种芯片输出数字化信号。但这些功能同时也减少了芯片的实际感光面面积，并且每一个像素都独立转换，一致性较差。北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A从二十世纪七十年代起至九十年代末，CCD是一直占统治地位的图像传感器，这主要是由于用当时的制造技术制造的CCD能得到非常好的图像，而CMOS需要的更好的一致性和更小的体积在当时的硅晶片生产厂还很难达到。近十年来由于半导体制造技术的高速发展使得CMOS图像传感器有效而又能以较低成本的运用到几乎所有消费类成像应用和大多数工业成像应用中。CCD与CMOS技术优劣北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1ACCD有较好的成像质量(主要由量子效率和噪声来衡量)，但系统体积较大、功耗高、帧频受限。在一些对成像质量要求很高的应用（如天文、生物荧光成像等）中仍占主导地位，但只能用特殊的生产工艺流程采用最大6英寸以下的硅晶片制造，制造成本高，产量无法大的提高。CCD与CMOS技术优劣北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1ACMOS传感器集成度更高(芯片本身功能更多），功耗小，帧频可以很高并且系统尺寸小和灵活性高。当然成像质量和灵活性较差。这种传感器能用通用的大规模集成电路制造工艺或作很少的改良的生产线制造，并最大可采用8英寸甚至12英寸的硅晶片，制造成本低，产量可快速提高，非常适用于大批量的、对信号噪声要求不是特别苛刻的应用中如大批量的消费类商业数码相机，手机相机，以及许多工业自动化和工业在线实时检测等方面的应用.CCD与CMOS技术优劣北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1ACCD与CMOS技术优劣北京汇众思壮图像技术有限公司电话：010-84779455传真：010-84779566网址：www.eimage.com.cn地址：北京朝阳区望京北路39号院8楼3单元1A