什么是CCD传感器,对于机器视觉很重要
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什么是CCD传感器,对于机器视觉很重要

小施 2020-12-28 9144 0


术语“ CCD”是指“电荷耦合装置”,并且是能够传输电荷的电子模块。

这项技术是由Willard Boyle和George E. Smith在贝尔实验室于1969年发明的,它纯粹是用于数据存储的,但是出于存储目的,它从未获得技术认可。直到今天,该原理仍被成功使用,以便通过大量小步长(垂直和水平移位寄存器)将由于“内部光子效应”而暴露于半导体中而产生的电荷传输到中央A / D转换器,即使用一种“桶链原理”。通过施加电势从外部迫使通过电极进行的电荷移动:利用该原理来移位和读出光敏像素的电荷的图像传感器称为“ CCD传感器”。频率,即传感器每秒能够将电荷传输一个像素的频率,称为“像素时钟”。如今,CCD的工作频率约为25至50 MHz。

对光敏感的简化功能原理


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内部光电效应对于传感器的功能至关重要。硅晶体的原子位于离散的能带上,在能量上较低的价带称为价带,在能量上较高的称为导带。在基本状态下,大多数电子在价带上,但是它们可以通过外部激发而传输到导带上。为此所需的能量为1.26 eV或更高。对于CCD传感器,这种传输可以由光引起,但也可以由更高的热量供应(传感器的暗噪声)引起。(注意:1.26 eV大约对应于波长为1 µm的红外辐射的能量。更长波长的光可以穿过硅而不会被吸收,它实际上对这些波长都是半透明的,并且不敏感。)由于激发,价带中的自由(负)电子和带正电的“空穴”同时产生,由于施加电压而彼此分开。但是,这些电荷不会立即流到外部(就像CMOS传感器中的光电二极管一样),而是存储在存储单元本身中。

通过上述电荷转移,电荷以许多小的步长通过整个传感器传输到中央放大器/ AD转换器。

CCD传感器的典型布局

通常,我们区分几种典型的CCD传感器布局,这些布局将在后面描述:

  1. 行间转移CCD

  2. 全帧传输CCD

  3. 帧传输CCD

其中主要是所谓的“行间转移传感器”已在机器视觉中获得认可。只有这种相机才能通过“电子快门功能”捕获非常快的帧速率,因此在90%的工业CCD相机中都使用了该相机进行机器视觉。帧传输CCD和全帧传输CCD目前主要用于图像刷新率较低的科学应用中,其中主要标准是对光的极高灵敏度。

CCD传感器技术的优缺点

由于电荷的转换是由一个中央放大器/ AD转换器针对所有像素完成的,因此与CMOS传感器相比有很多优点和缺点:

1、优点

  1. 由于增加了表面使用率,从而提高了灵敏度并降低了噪音(填充系数更高)

  2. 由于结构更简单,缺陷像素更少

  3. 中央A / D转换器使图像更均匀

2、缺点

  1. 读数速度慢,因为只有一个中央A / D转换器数字化

  2. 像CMOS传感器一样,不能直接访问像素,因为必须连续读取CCD传感器

  3. 由于需要额外的电子设备,摄像机布局更加复杂,导致摄像机体积更大且价格更高

  4. 整个相机的能耗更高

  5. 与CMOS传感器相比,曝光过度时会有更多的拖尾现象

对机器视觉很重要

  1. 在大多数工业应用中,都使用带有CCD传感器的相机。它们噪声低,对光敏感,具有很高的均匀性,并且由于其线性特性,适合精密测量应用。

  2. 绝大多数工业相机制造商在其标准产品中都使用了CCD传感器,其中90%的情况是由索尼制造的。多年来,不断有新的和先进的传感器推向市场。

  3. 由于增强的生产技术,可以实现更高的像素灵敏度,进而在保证质量的前题下可以实现越来越小的像素尺。因此,对光学器件的质量要求已大大提高。

  4. 柯达开发了具有特别快的帧速率或特别高分辨率的CCD传感器。

  5. 几乎每个传感器都有一定数量的缺陷像素,这些缺陷在大多数情况下几乎不会出现,有时可以通过相机固件通过像素错误校正来消除。CCD制造商通常以质量等级“ B”,“ A”和“零”来区分其传感器,以描述缺陷像素的数量。它们的价格各不相同。在极端关键的应用情况下,您可以从某些相机制造商处购买“零”级缺陷像素为零的相机,但需要额外付费。

  6. 大约每升高6度,像素的热噪声就会加倍。优质的相机在操作过程中不应变得特别热。此外,避免将相机安装在蓄热区。




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