视觉检测的核心设备——图像传感器

CCD（Charge Coupled Device），电荷耦合器件，是一种特殊的半导体，现在人们习惯用CCD当图像传感器的代名词。

CCD是当今图像传感器的主流技术，也是技术最成熟、应用最广泛的可见光图像传感器，以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、分辨力高、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，应用领域不断扩展，其在工业测控中也得到了广泛应用。

CCD工业相机

一、CCD的工作原理

1、CCD图像传感器由三层组成：

第一层：微透镜片；

第二层：分色镜片；

第三层：感光、储存、转移电荷（CCD）层。

2、CCD工作的基本原理：

CCD的感光面是若干个独立光刻单元的集合，它能存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输，并输出电信号。

行间转移CCD的工作原理

3、CCD的物理结构

CCD有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。

首先将一块半导体基板通过光刻划分成行X列的矩阵状。

每个单元为一个像素单元，在每个像素单元里，制作出一个光感区（光感二极管）、电荷储存区、电荷转移区和益漏沟槽、电极等。

每一个单元对应一个像素，内含一个光感二极管和与其一起工作的开关厂效应管，转移储存器，像素之间还有益流沟和转移珊等，因此感光面约占每个像素面积的1/2左右的面积，增大感光面积很重要，因为感光面积越大，光感二极管采集的光就越多，成像质量就越高，但是，感光区不能把面向光线射入处都做成有效感光部分，真正能感光部分的面积只是感光区面向光线射入处部分面的60%-90%，这就是所谓的开口率，但每个像素点的面积有限，目前解决的办法是在每个感光区前面加一个光学透镜，以增加受光面积，这就是CCD上的第一层微镜头，这样感光面积就由微镜片决定了，效果非常好。

4、三种典型图像CCD的电荷转移方式

帧转移型

行间转移型

行帧转移型

二、CCD的特点

1、高解析度（High Resolution）：像点的大小为m级，可感测及识别精细物体，提高影像品质，从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到现在的1/9寸，像素数目已从初期的10万多增加的千万像素，以后还有急需增加的趋势。

2、低噪声（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声，因此有比较高的信噪比（SNR），同时具有高敏感度0.0003、0.00056LUX甚至0LUX低光度的入射光也能检测到，其信号不会被噪声掩盖，所以CCD的应用基本不受气候限制。

3、动态范围广（High Dynamic Range）：通过数字处理的CCD信号，其动态范围可达到400%，专业级可达到600%，可同时适用于强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。

4、良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出信号大小成良好的正比关系，能很好地反应被摄图像的细节层次，降低信号补偿处理成本。

5、光子转换效率高（High Quantum Efficiency）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影响增强管及投光器，即使在黑夜远处的景物也能拍摄到。

6、大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的D晶片，目前于传统胶片尺寸相当的35mm的晶片已经开始应用在数码相机中，成为取代专业光学相机的关键元件。

7、光谱响应广：从0.4~1.1μm，能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；根据不同应用场合，需用滤色片或复合滤色片；

8、低影像失真：使用CCD感测器，其图像处理不会有失真的情形，使原物体表面信息忠实的反应出来；

9、体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，应用广泛；

10、低耗能，不受强电磁场影响；

11、电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变模糊；

12、可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。有些烧坏的CCD像素，经过一段时间的带电工作后能自我恢复。

三、CCD在工业检测领域的应用

1、可用于对象几何量的测量。几何量参数包括：长、宽、液位、面积等等都可以用CCD传感器技术来测量。另外，其它如进行多尺寸的检测和检查包装的尺寸、形状、商标位置与方向是否准确等许多场合也都可以采用CCD技术。

2、在线模式识别。如识别沿自动化生产线传送的分布离散物件或产品、检测零件的有无、装备在机器人上作为视觉系统、以及设备安装是否符合要求、位置是否准确等。

3、物体表面自动检测。工业生产中，表面状况是物体质量的一个重要因素，采用CCD技术对物体表面状况进行高精度的检测，不仅可以省略以往光学机构扫描法中的运动部件，而且检测色度高，系统结构小，能自动显示或记录被检测物体的表面状态等。因而可应用于工业生产中进行检测金属板、塑料、玻璃、纺织等物品的表面缺陷。

4、加工过程检测。因为CCD具有高速读出能力，因而也可以用于加工业过程中的检测，如机床加工中的位置测定是闭环控制不可缺少的一个环节，应用CCD技术能够实现加工设备位置高精度的实时控制。