关于图像传感器的一些基本知识

图像传感器是传感技术中最主要的一个分支，广泛应用于各种领域，它是PC机多媒体大世界今后不可缺少的外设，也是保安监控产业中最核心的器件，包括光电鼠标、支持数码照相技术的手机以及消费电子、医药和工业市场中的各种新应用。每种应用都有其独特的客户期望、技术挑战和系统要求。
图像传感器根据元件不同分为CCD、CMOS。
　　CMOS图像传感器和CCD摄像器件在20年前几乎是同时起步的。CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）则应用于较低影像品质的产品中。由于CCD器件有光照灵敏度高、噪音低、像素小等优点，所以在过去15年里它一直主宰着图像传感器市场。与之相反，CMOS图像传感器过去存在着像素大、信噪比小、分辨率低这些缺点，一直无法和CCD技术抗衡。但是随着大规模集成电路技术的不断发展，过去CMOS图像传感器制造工艺中不易解决的技术难关现已都能找到相应解决的途径，从而大大改善了CMOS图像传感器的图像质量。目前CMOS单元面积的像素数已可与CCD单元面积的像素数相比，从而使CMOS图像传感器也可以做到高分辨率。如果能将CMOS黑白与彩色图像传感器的信噪比再提高10dB，光照灵敏度再提高4～5倍，那么CMOS图像传感器取代CCD器件就指日可待了。如果再考虑到CMOS图像传感器具有体积小、功耗低、高集成这些过去没有得到充分发挥的优点，在今后都能得到充分发挥，那么一个崭新的图像技术时代即将来临。据保守的估计，到2002年，CCD图像器件市场的一半将被CMOS图像传感器取代。
　　CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。
　　CMOS：互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带?C电）和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。
　　CIS(Contact Image Sensor)：接触式图像传感器于八十年代末应运而生，它是由CMOS工艺制作的传感器IC组成阵列，阵列的长度与原稿相同，光路由CIS本体决定，具有体积小、光路短等特点，组成的系统体积也小，而且安装简单，不需要调整光路，解决了图像光学信号均匀性和部件体积问题，便于实现产品的小型化。
　　CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

　　CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小。
　　从产品的技术发展趋势看，无论是CCD还是CMOS，其体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素大则图像产品的分辨率越高，清晰度越好，体积越小，其应用面更广泛。
　　从上述二种图像传感器解析度来看，未来将有几年时间，以130万像素至200万像素为界，之上的应用领域中，将仍以CCD主流，之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。

传输时间激光测距传感器

一、传输时间激光距离传感器的发展

　　激光在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，对社会生产和生活的影响也十分明显。激光测距是激光最早的应用之一。这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（380′103km）误差只有250m。1969年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月之距，误差只有15cm。
　　利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。
　　传输时间激光测距虽然原理简单、结构简单，但以前主要用于军事和科学研究方面，在工业自动化方面却很少见。由于激光测距传感器售价太高，一般在几千美元，高昂的价格一直是阻碍其广泛应用的主要原因。然而最近，激光测距传感器由于技术上取得了重大进展，使其价格已降到几百美元，从而使它今后有可能成为许多长距离检测场合最经济有效的检测手段。
造成这样大幅度降价的主要原因是最近两种消费产品的急剧增长。
　　其一是蜂窝电话。移动通信自70年代出现以来，发展异常迅速，用户几乎年年翻番，尤其是近年来发展更为惊人。蜂窝电话的发展促使电信工业提供出性能极佳的低噪声放大器。这种放大器的核心部件就是传输时间计时器。
　　其二是DVD播放机。DVD播放机的发展推动了低成本可见光二极管激光器的发展。这种二极管激光器发出的激光具有更好的聚焦特性，能实现超高密度数字存储。与仅仅几年前为CD机研制的红外激光二极管相比，其聚焦特性要好许多倍。
　　正是这些新器件的出现再加上表面安装电路板技术和清洁廉价的电源等，才使传输时间激光距离传感器的发展跃上新台阶。
　　实际上，所有工业用户都在寻找一种能在较远距离实现精密距离检测的传感器。因为许多情况下近距离安装传感器会受物理位置及生产环境的限制，如今的传输时间激光测距传感器将为这类场合的工程师排忧解难。
二、工作原理

　　传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。
　　例如，光速约为108m/s，要想使分辨率达到1mm，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间： 0.001m?(108m/s)=3ps
　　要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今廉价的传输时间激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。
三、解决其它技术无法解决的问题

　　传输时间激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合。例如，当目标很近时，计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是，当目标距离较远内或目标颜色变化时，普通光电传感器就难以应付了。
　　虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差。此外，三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内。
　　超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体，而且由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响。但是，超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合。
①待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内。
②需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm。
③需要可见光斑进行位置校准的场合。
④多风的场合。
⑤真空场合。
⑥温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。
⑦需要快速响应的场合。
激光距离传感器能解决上述所有场合的检测。
四、在自动化领域的广泛用途
　　如今，自动检测和控制的方法中，除了超声波传感器和普通光电传感器外，又增加了一个能解决长距离测量和检验的新方法—传输时间激光距离传感器。它为各种不同场合提供了应用的灵活性，这些场合可包括如下：
①设备定位。
②测量料包的料位。
③测量传送带上的物体距离和物体高度。
④测量原木直径。
⑤保护高架起重机免于碰撞。
⑥无误差检查场合。
五、几个应用实例
    1、测量传送带上箱子的宽度
　　使用两个发散型传输时间激光传感器，在传送带的两侧面对面安装。因为尺寸变化的箱子落到传送带上的位置是不固定的，这样，每个传感器都测量出自己与箱子的距离，设一个距离为L1，另一个为L2。此信息送给PLC，PLC将两个传感器间总的距离减去L1和L2，从而可计算出箱子的宽度W。
    2、保护液压成型冲模

　　机械手把一根预成型的管材放进液压成型机的下部冲模中，操作者必须保证每次放的位置准确。在上部冲模落下之前，一个发散型传感器测量出距离管子临界段的距离，这样可保证冲模闭合前处于正确位置。
    3、二轴起重机定位
　　用两个反射型传感器面对反射器安装，反射器安装在桥式起重机的两个移动单元上。一个单元前后运动，另一个左右运动。当起重机驱动板架辊时，两个传感器监测各自到反射器的距离，通过PLC能连续跟踪起重机的精确位置。
　　有了这种新式廉价传输时间激光测距传感器，反射性或多颜色的目标长距离位置检测即使在检测角度变化的情况下也没问题了。 (责任编辑：泉水)

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