1、现代检测技术 孔斌 2012.3.5,光 与 图 像 传 感 器,内容概要,光传感器简介 光电传感器 光电成像技术与图像传感器 一些新进展介绍,1 光传感器简介,1.1 光传感器的定义 1.2 光传感器的用途 1.3 光传感器的类型及原理 1.4 典型光传感器举例,电 磁 波 谱 图,光其实是电磁波中的很小一部分 可见光科学上定义在390nm - 780nm， 人眼能看到的范围在312nm - 1050nm甚至更广,1.1 光传感器的定义,通常是指能敏感到紫外到红外波长范围的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。紫外波长：0.2 0.4um人眼可见波长： 0.4 0.7um (380 780n
2、m)红外波长：0.7 1um 1mm,1.2 光传感器的用途, 测光 计数 自动控制 摄影、录像 测温 测距 ,1.3 光传感器的类型及原理,量子探测器又称光子探测器或光电转换器，其工作原理是基于一些物质和材料的光电效应。 热探测器其工作原理是基于一些材料的热电效应。探测器吸收红外能量后，产生温度变化，从而产生电效应。,热辐射检测传感器,绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度(K)，遵循普朗克辐射定律。,应用：冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。,1.4 典型光传感器举例,光电传感器光敏电阻、光电二极管、红外传感器图像传感器CCD、CMOS,2 光电
3、传感器,2.1 光电效应 2.2 光电传感器 2.3 光纤传感器,2.1 光电效应,内光电效应半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为内光电效应。,应用：照相机自动测光光控灯工业控制光电鼠标,相机测距反射式光电传感器,光控灯：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相 比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线， 达到节约电能的目的。,光敏二极管外形与一般二极管一样，只是其管壳上有一嵌着玻璃的窗口，以便光线射入。为增加受光面积，PN结的面积做得较大。光敏二极管工作在反向偏置状态下，并与负载电阻相串联。当无光照时，它与普通
4、二极管一样，反向电流很小（uA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。,光敏三极管除了具有将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。其外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电
5、流Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流 Ib 增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。,2.1 光电效应（2）,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。,以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,光电池原理,2.2 光电传感器,光电传感器的基本形式有四种：辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,光电开关,能够处理光的强度变化，主要用来检测物体。由发射器、接收器和检测电路三部分组成：发射器对准目标发射光束
6、，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）或激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间断地运行。接收器由光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。,（1）对射型光电开关,由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化。特点：辨别不透明的反光物体；有效距离大（位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米）；不易受干扰，可以可靠地在野外或者有灰尘的环境中使用；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。,（2）漫反射型
7、光电开关,由发射器和接收器构成单个的标准部件。开关发射光束时，目标产生漫反射，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化。特点：有效作用距离由目标的反射能力（表面性质和颜色）决定，典型值一直到3米；较小的装配开支；采用背景抑制功能调节测量距离；易受灰尘干扰，对目标反射性能敏感。,（3）镜面反射型光电开关,由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间。特点：辨别不透明的物体；有效作用距离从0.1米至20米；不易受干扰，可以可靠地在野外或者有灰尘的环境中使用。,应用例：,
8、2.3 光纤传感器,物性型光纤传感器利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 结构型光纤传感器由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。,多普勒效应：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。,作业件检测,颜色检测,光纤检测型光电传感器,陀螺仪,一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是航空航海航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器 其原理是：物体高速旋转时角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向 现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来
9、的。,塞格尼克理论的要点：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪；如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。,光纤陀螺,3 光电成像技术与图像传感器,3.1
10、 光电成像技术的发展 3.2 光电成像器件的类型 3.3 光电成像原理 3.4 光电成像系统 3.5 颜色传感器 3.6 应用举例,3.1 光电成像技术的发展,利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器、现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、遥测技术、图形图像测量技术、工业自动化、医疗诊断、监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。,1934年研制出光电像管，应用于广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000 lux的照度，这是它的应用范围受到很大限制。 1947年超正析摄像管面世，使最低照度要求降至2000 lux
11、。 1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高，但不适用于高速场合和彩色应用。,1965年氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976年前后相继出现灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。 1970年美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（CCD）原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段CCD固体摄像器件的发展阶段。 1980年代发明CMOS图像传感器。,3.2 光电成像器件的类型,一、 扫描型真空电子束扫描型光电型：光电导式和光电发射式热电型：热释电摄像管固体自扫描型：电荷耦合摄像器件,扫描型光电成
12、像器件又称为摄像器件。这种器件通过电子束扫描或自扫描方式将被摄景物通过光学系统成像在器件光敏面上的二维图像转变为一维时序电信号输出出来。这种运载图像信息的一维时序信号称为视频信号。,二、非扫描型：直视型电真空像管红外变像管变相管 紫外变像管X射线变像管串联式像增强管像增强管 级联式像增强管微通道板式像增强管,3.3 光电成像原理,电荷耦合器件CCDCharge-Coupled Devices 1970年由贝尔实验室首先研制出来。特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功耗低、动态范围大。高分辨率、高可靠性、高准确度主要应用领域：摄像、信号处理、存储、测量遥感遥测、图像制导、图像识别、传真、扫描
13、仪、自动精密测量,CCD由许多感光单元组成，感光单元的数目通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单元会将电荷累积在组件上，所有的感光单元所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线阵CCD和面阵CCD。,面阵扫描摄像机大都是对角线约为1/3in,1/2in,2/3in的ccd sensor，而线阵扫描摄像机大都为10mm,20mm,30mm长的条状ccd sensor，行频有20k,40k,60k,甚至是80k，每行的象素有1k,2k,4k,甚至是8k。线阵摄像机大都用在幅面很大的检测设备上，比如印刷、玻璃、食品、烟草等行业的设
14、备，一般有多个ccd sensor拼接。大多数的线阵摄像机都是黑白，也有彩色的，但非常贵，因为它不是面阵摄像机那样经过bayer转换或是一些色彩变换得到的彩色图像，而是纯正的3 ccd感光，3ccd位置不同，又存在空间校正的麻烦，所以彩色线阵ccd造价昂贵，而且用起来很繁琐。线阵摄像机对光的要求也更高，均匀性要求必须非常好，而且经久耐用，最重要的一点是当使用行频速度非常高的ccd时，比如60k或80k时，要求光的亮度非常高，因为速度太快了。,P沟道型CCD原理,金属-氧化物-半导体结构（MOS)在外加电场作用下，半导体中空穴被推离界面，形成表面势井； 光照产生的电子填充势井，使势井变浅。势井变
15、化率与光生载流子成正比。 势井中的电子在交替变化的电位作用下耦合到下一个势井中，顺序移出。,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,面阵CCD工作原理,彩色摄像机的分光： 棱镜和滤色片分光,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,
16、单传感器 RGB “Bayer“ Color and MicroLenses,通过内插产生所缺的颜色,CCD传感器的读出,CMOS传感器通过行列地址选通读出,三原色（三基色）,三原色分为两类： 色光原色，又称为加色法三原色 颜料（染料）三原色，又称为减色法三原色红、绿、蓝 黄、品红、青,黄Yellow、品红Magenta、青 Cyan；绿Green,单沟道线阵CCD,双沟道线阵CCD,特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,维修简便; (4) 测量精度高; (5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响.
17、 应用: (1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.,条形码扫描器,CCD量子效率与光谱关系,3.3 光电成像原理(2),互补金属氧化物半导体CMOSComplementary Metal Oxide Semiconductor1980年代发明。优点：价格低廉，单片式功耗低、体积小,CMOS传感器工作原理,CMOS（Complementary MOS）图像传感器也是由阵列式的感光象素构成，象素结构为MOS 电容或是P-N 结的感光二极管， 以MOS电容为感光象素的称为光电门(photogate)型，而以二极管为感光元件的称为光电二极管(photodiode) 型， 由于
18、photgate 会吸收蓝光，目前的CMOS 发展以photodiode 型为主流。CMOS图像传感器的特点是，在每一个象素上除了感光部份外，还包含由N-type 及P-type 的MOS 电子晶体管构成的电路， 使各象素感光所累积的电荷信号能夠跟DRAM 一样，用行列式的电极随机读取（ random access）。,有源、无源CMOS传感器,依象素上电路复杂程度不同，CMOS 图像传感器又有Passive Pixel 及Active Pixel 之分，主要的差別在于Passive Pixel 的电路是由单个电晶体构成列的选择开关，让位于每一行末端的放大器能夠读取行、列交会处的象素所积存的电
19、子信号。 Passive Pixel 的优点是电路单纯，不会占掉太多感光面积而影响到传感器的灵敏度(sensitivity)，缺点则是信号输出线路阻抗高，容易产生随机噪声(random noise)，使影像品质不佳。 Active Pixel象素上的电路是由二个或二个以上的电子晶体管构成具有放大功能的放大器。,CMOS传感器结构示意,3.3 光电成像原理(3),CID和CIS图象传感器CID（ Charged Inject Device ）电荷注入器件CID 的优点为抗辐射性良好，大部份被用在太空及特殊用途的的影像获取。CIS （Contact Image Sensor ）接触式图像传感器接触
20、式图像传感器在扫描影像时， 文件与传感器模组直接接触，传感器模组的长度必须不小于被扫描文件或图片的宽度，通常必须用数个感光元件及透镜阵列拼凑而成。,CIS传感器,CIS 是由线型的光源、自焦透镜阵列（Self-focus Lens Array，或称为Rod Lens Array）、感光元件阵列构成， 扫描时自焦透镜阵列将反射自原稿图片的光聚集成像于感光元件阵列上，得到对应于原稿图片上色彩或黑白灰度变化的电信号，利用滚筒移动原稿或移动整个传感器模组，可将原稿一行行地扫描成电子格式。由于自焦透镜阵列所成的像为1:1 的正立实像， CIS 的宽度必须不小于被扫描文件的宽度。,CIS传感器结构示意,3
21、.4 光电成像系统,系统由光学像系统、光电变换系统、图像分割、同步扫描和控制系统、视频信号处理系统、荧光屏显示系统等构成。,像管成像物理过程：（三个环节）,微弱的光或不可见的输入辐射图像转换成电子图像（光阴极完成）电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像（电子光学系统）将增强的电子图像转换成可见光的图像（荧光屏）,1辐射图像的光电转换：利用外光电效应。光敏面采用光电发射型材料。发射的电子流分布正比于人射的辐射通量分布。由此完成辐射图像转换为电子图像的过程。2电子图像增强：电场加速 或微通道板中二次电子发射。3 电子图像的发光显示 高能电子轰击荧光屏，发出可见光。 荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激
22、发光。,像管的主要结构类型,近贴式 静电聚焦倒像式 （单级，多级） 电磁复合聚焦 带微通道板的像管（第二代） 负电子亲和势像管（第三代） X射线变像管和r射线变像管,三级串联像增强管,磁聚焦像增强管,有光纤板的三级像增强管,微通道板结构,3.5 颜色传感器,主要用于现代化工业生产中颜色识别和变化检测两种基本类型（都是光电式的）： 1、色标传感器并不是直接检测颜色，它是通过检测色标对光束的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的2、RGB颜色传感器通过测量构成物体颜色的三基色的反射比率实现颜色检测的,TCS230 ：美国TAOS 公司生产，可编程彩色光到频率的传感器 (programmabl
23、e color light-to-frequency converter),3.6 应用举例,红外距离传感器基于三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如下图所示。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。,可以看到，当D的距离足够近的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，
24、也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测越是远的物体，CCD的分辨率要求就越高。,3.6 应用举例(2),视觉传感器应用关键点照明软件工具,IC芯片检验系统,眼镜零件质量检验系统,作物病害监测,柑橘自动识别,4 一些新进展介绍,仿生视觉传感器 4.1 Centeye仿生光流传感器 4.2 仿沙蚁偏振光传感器,4.1 Centeye仿生光流传感器,重量4.5克, 包括:光学、成像、处理、接口等部件可用于微小型无人驾驶飞机等Centeye是Geoffrey L Barrows博士于2000年创建的美国公司,专注于视觉微型传感器的研究、开发与应用.,4.2 仿沙蚁偏振光传感器,97
25、3课题:仿生微纳敏感器件与智能系统仿生偏振光视觉导航系统模仿沙蚁的特殊光学敏感效应与视觉感知能力，研究仿生偏振光视觉导航的机理、方法与关键技术,参考书目,王庆有 图象传感器应用技术 电子工业出版社 2003.09.01 米本和也 CCDCMOS图像传感器基础与应用 科学出版社 2006年9月第1版 译者：陈榕庭 彭美桂 陈榕庭 CMOS图像传感器封装与测试技术 电子工业出版社 2006.07 刘亮 先进传感器及其应用 化学工业出版社 2005.6.1 吕泉 现代传感器原理及应用 清华大学出版社 2006-6-1 安毓英，曾晓东 光电探测原理 西安电子科技大学出版社 2004-8-1 袁祥辉 固体图象传感器及其应用 重庆大学出版社 1996.06 刘巽亮 光与视觉传感 中国科学技术出版社 1998.01 朱德芳半导体传感器原理及其应用大连理工大学出版社 1993.02 唐传尧 图像电子学基础 电子工业出版社 1995 都甲 洁,宫城幸一郎图说传感器 科学出版社 2003-5-26,本讲座内容参考了许多书籍、网页中的内容，未在引用处一一标明。谨在此向原作者表示感谢！,致 谢,
