第三章 光电检测技术常用器件及应用实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上如何准确地描述一幅图像感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。A 光电转换B 电荷储存C 电荷转移D 转化为电压量 CCDCCD芯片的工作方式：芯片的工作方式： CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体（MOS）组成的电容器。 这一装置能够完成光电转换。A 光电转换电荷转换- -存储在栅极在栅极G施加电压施加电压UG之前之前p型半导体中空穴型半导体中空穴的分布是均匀的。的分布是均匀的。当栅极施加正电压当栅极施加正电压UG小小于电压于电压Uth ，p型半导体型半导体中的空穴将开始被排斥，中的空穴将开始被排斥，产生所示耗尽区。产生所示耗尽区。UG大于大于Uth后，后，吸引到表面的电子吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成浓度迅速增大，在表面形成一层一层极薄但电荷浓度很高的极薄但电荷浓度很高的电子导电电子导电层，因为其载流子和体内导电类层，因为其载流子和体内导电类型相反，因而称为反型层。型相反，因而称为反型层。耗尽耗尽区的区的深度深度与与UG成正成正比。比。 当向CCD单元电极施加正电压时，会产生能储存电荷的势阱。由于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，随着电荷的不断注入，势阱会不断变浅，直至饱和.电荷储存当一个当一个CCDCCD芯片感光完毕后。每芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向一行的方向转移出转移出CCDCCD感光区域。为下一次感光区域。为下一次感光释放空间。感光释放空间。C 电荷转移三相表面沟道三相表面沟道三相表面沟道三相表面沟道CCDCCDab c d eabcde电极间隙不能电极间隙不能电极间隙不能电极间隙不能大大大大(3m)(3m)(3m)(3m)否则否则否则否则电子被势垒隔电子被势垒隔电子被势垒隔电子被势垒隔开不能转移开不能转移开不能转移开不能转移N N N N型型型型CCDCCDCCDCCD比比比比P P P P型型型型CCDCCDCCDCCD工作频率高工作频率高工作频率高工作频率高根据阵列排布方式的不根据阵列排布方式的不同，同，CCD成像器件分成像器件分为线阵和面阵两大类。为线阵和面阵两大类。线阵线阵CCD的构造相对简的构造相对简单。只是单行的单。只是单行的感光和转移。感光和转移。而面阵芯片复杂一些而面阵芯片复杂一些。线阵线阵CCDCCD与面阵与面阵CCDCCD的比较的比较 1）对于面阵）对于面阵CCD来说，应用面较广，如面积、形状、尺来说，应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵寸、位置，甚至温度等的测量。面阵CCD的优点是可以获的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少。每行的像元数一般较线阵少。2）线阵）线阵CCD结构简单，成本较低。可以同时储存一行电结构简单，成本较低。可以同时储存一行电视信号视信号.由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作，所以线应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作，所以线阵阵CCD广泛地应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测广泛地应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、条形码等许多领域量、条形码等许多领域。彩色彩色CCDCCD的原色原理的原色原理目前目前CCD有两种分色方式：一是有两种分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一个原色分色法，另一个则是则是 CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊，过去原色补色分色法，这两种方法各有利弊，过去原色和补色和补色CCD的产量比例约在的产量比例约在 2：1左右，左右，2003年后由于影像年后由于影像处理引擎的技术和效率进步，目前超过处理引擎的技术和效率进步，目前超过 80都是原色都是原色 CCD 的天下。的天下。CMOSCMOS图像传感器图像传感器（互补金属氧化物半导体（互补金属氧化物半导体Complementary Metal Oxide Semiconductor）CMOS图像传感器虽然比图像传感器虽然比CCD出现还早一年，由于出现还早一年，由于受当时工艺水平的限制没有得到重视和发展。受当时工艺水平的限制没有得到重视和发展。 带红外带红外LED照明的照明的CMOS视频摄像头视频摄像头CMOS摄像头摄像头像素面积更大则通常意味着更好的像素质量像素面积更大则通常意味着更好的像素质量 CMOSCMOS与与CCDCCD图像传感器性能比较图像传感器性能比较2024/7/232024/7/231818CCDCCD与与CMOSCMOS比较比较分辨率分辨率灵敏度灵敏度信噪比信噪比集成度集成度功耗功耗成本成本CCD优优优优优优CMOS优优优优优优照相机快门快门相机参数相机参数快门速度快门速度光圈数光圈数焦距刻度焦距刻度景深表景深表数码相机数码相机美国国家航空美国国家航空美国国家航空美国国家航空航天局航天局航天局航天局（NASANASA）特）特）特）特别研制的一部别研制的一部别研制的一部别研制的一部相机，通过相机，通过相机，通过相机，通过线线线线性性性性CCDCCD扫描扫描扫描扫描实实实实现超高的现超高的现超高的现超高的88000440008800044000分分分分辨率照片，像辨率照片，像辨率照片，像辨率照片，像素高达近素高达近素高达近素高达近4040亿，亿，亿，亿，未压缩的原文未压缩的原文未压缩的原文未压缩的原文件大小达件大小达件大小达件大小达24G24G。CCDCCD数码显数码显微镜拍摄的微镜拍摄的金属表面显金属表面显微照片微照片电荷耦合器件基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机n（1）Camcorder摄摄录录一一体体化化CCD摄摄像像机机。从从中中国国电电子子工工业业部部市市场场预预测测数数据据获获悉悉，2000年年需需求量可达求量可达150万台。万台。n（2）TV phone据据资资料料介介绍绍，有有些些移移动动电电话话公公司司正正在在研研发发可可带带视视频频图图像像摄摄入入和和显显示示的的手手机机即即大哥大。大哥大。CCD 其他应用n（3）PC camera到到21世世纪纪初初，随随着着电电脑脑网网络络系系统统的的发发展展，PC Camera作作为为电电脑脑前前端端和和图图像像输输入入系系统统，CCD摄摄像像机机将将以以不不可可阻阻挡挡的的发发展展势势头头深深入入到到各各种种电电脑脑应应用用的的方方方方面面面面，也也会会很很快快进进入入家家庭庭。借借助助电电脑脑网网络络，实现音、视频同步远程通讯。实现音、视频同步远程通讯。n（4）Door phone随随着着住住宅宅商商品品化化，各各种种现现代代化化住住宅宅楼楼像像雨雨后后春春笋笋般般拨拨地地而而起起，民民用用住住宅宅的的安安全全防防范范已已提提到到日日程程上上来来，许许多多住住宅宅可可在在室室内内及及时时地地看看到到来来访访客客人人的的实实时时图图像像和和室室外外局局部部区区域域的的情情况况，也也为为防防范范坏坏人人入入室室作作案案起起到有效的监控作用。到有效的监控作用。n（5）Scanner由由于于计计算算机机网网络络的的普普及及，所所以以为为了了提提高高各各种种资资料料、文文字字的的输输入入速速度度，可可采采用用各各种种扫扫描描仪仪，读读取取经经过过文文字字识识别别的的资资料料，可可将将读读入入的的文文字字资资料料转转换换成成文文件件存存入入计计算算机机进进行行编编辑辑，以以便便在在网网络络上上交交流流。按按PC机机配配套套率率10%计计算算，可可需需线线阵阵和和面面阵阵CCD传感器传感器105.6万台。万台。n（6）Bar Code Register（BCR）条条形形码码记记录录器器在在各各种种商商业业流流通通领领域域如如商商场场、仓仓储储连连锁锁店店等等普普遍遍采采用用。条条形形码码物物品品记记录录识识别别系系统与计算机联网可随时取得各种数据。统与计算机联网可随时取得各种数据。n（一）采集技术（一）采集技术n指从条码中读取事先写入信息的技术和设指从条码中读取事先写入信息的技术和设备。主要有备。主要有 ：n1.光笔扫描器光笔扫描器n2.台式扫描器台式扫描器 n3.手持式扫描器手持式扫描器 n4.固定式光电及激光快速扫描器固定式光电及激光快速扫描器 n（二）译码技术（二）译码技术n 是将条码扫描器输出的脉冲数字信号解是将条码扫描器输出的脉冲数字信号解译成计算机可识别信号的技术。译成计算机可识别信号的技术。n（三）传送技术（三）传送技术n（四）计算机处理技术（四）计算机处理技术条码的应用n1.物流领域物流领域n库存系统、分货拣选系统、销售信息系统。库存系统、分货拣选系统、销售信息系统。n2.商业零售领域商业零售领域 n3.图书馆图书馆 n4.质量跟踪管理质量跟踪管理 n5.数据自动录入数据自动录入n（7）Medical医医用用显显微微内内窥窥镜镜利利用用超超小小型型的的CCD摄摄像像机机或或光光纤纤图图像像传传输输内内窥窥镜镜系系统统，可可以以实实现现人人体体显显微微手手术术，减减小小手手术术刀刀口口的的尺尺寸寸，减减小小伤伤口口感感染染的的可可能能性性，减减轻轻病病人人的的痛痛苦苦。同同时时还还可可进进行行实实时时远远程程会会诊诊和和现现场教学。场教学。n（8）Vehicle Camera在在各各种种车车辆辆中中加加装装CCD摄摄像像机机可可以以使使驾驾驶驶人人员员借借助助车车内内CCD摄摄像像机机、车车上上的的后后视视镜镜系系统统和和驾驾驶驶员员前前面面的的显显示示器器，不不仅仅可可随随时时看看到到车车内内的的情情况况，而而且且可可在在倒倒车车时时观观察察后后面面的的道道路路情情况况，在在向向前前行行进进过过程程中中也也能能随随时时看到后方车辆所保持的距离，提高了行车安全。看到后方车辆所保持的距离，提高了行车安全。n（9）Closed Circuit Television（CCTV）CCTV是是近近几几年年被被大大家家广广泛泛注注意意的的电电视视监监控控系系统统，目目前前，已已发发展展成成为为一一种种新新的的产产业业。以以CCD摄摄像像机机为为主主要要前前端端传传感感器器，带带动动了了一一系系列列各各种种配配套套的的主主机机和和配配套套设设备备以以及及传传输输设设备备的的研研制制和和生生产产企业。企业。