機電類

《自動檢測技術及應用》

多媒體課件

（共13章，第十章，第5、6、7節）

統一書號：ISBN978-7-111-34300-4

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2012年7月版4/19/2025110.5圖像傳感器及應用10.6熱成像技術及應用10.7光導纖維傳感器及應用第十章（下）光電傳感器目錄進入進入進入第十章（下）介紹CCD圖像傳感器、熱成像技術、光導纖維的原理及應用等知識。4/19/20252第五節圖像傳感器及應用圖像傳感器可以分為CMOS和CCD兩大類。它們具有光電轉換、信息存儲和傳輸等功能。CCD具有集成度高、分辨力高、動態范圍大等優點。CCD圖像傳感器被廣泛應用于軍事、衛星、醫療、天文、圖像識別、工業顯微鏡等領域。

CMOS具有價廉、集成度高，耗電量不到CCD的1/10、發熱小，響應速度快、感光面積大等特點，多用于視頻設備、照相機、監視器等。本多媒體課件重點介紹CCD和CMOS圖像傳感器在工業檢測和自動控制系統中的應用。4/19/20253一、CCD圖像傳感器的工作原理一個完整的CCD器件由光敏元、轉移柵、模擬移位寄存器，以及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD的光敏元實質上是一個MOS電容器,它能存儲電荷。在設定的CCD積分時間內,光敏元對光信號進行短暫取樣,將光的強弱轉換為視界內的各光敏元的電荷量。取樣結束后,各光敏元的電荷在轉移柵信號驅動下,轉移到CCD內部的移位寄存器相應單元中。移位寄存器在驅動時鐘的作用下,將信號電荷順次轉移到視頻輸出端。輸出信號可接到圖像顯示器或其他信號存儲、處理設備中,并進行信號再現,或進行存儲處理。4/19/20254MOS電容器組成的光敏元a）結構示意圖b）CCD光敏元顯微結構1－P型硅襯底2－耗盡層邊界（虛線）3－SiO24－金屬電極4/19/20255MOS電容器組成的光敏元的顯微照片CCD讀出移位寄存器的數據面顯微照片CCD的光敏元結構及存儲電荷

4/19/20256二、CCD圖像傳感器的分類CCD圖像傳感器有線陣和面陣之分。所謂線陣是指在一塊硅芯片上制造了緊密排列的許多光敏元，它們排列成一條直線，感受一維方向的光強變化；所謂面陣是指將光敏元排列成二維平面矩陣，感受二維圖像的光強變化，可用于數碼照相機。線陣的光敏元件數目從256個到4096個或更多；而在面陣中，光敏元的數目可以是600×500個、4096×4096個以上。CCD圖像傳感器還有單色和彩色之分，彩色CCD可拍攝色彩逼真的圖像。4/19/20257

1.線陣CCD線陣CCD由排成直線的MOS光敏元陣列、轉移柵、讀出移位寄存器、視頻信號電路和時鐘電路等組成。轉移柵的作用是將光敏元中的電子包“并行”地轉移到奇、偶對應的讀出移位寄存器中去,然后再合二為一,恢復光生信號在線陣CCD上的原有順序,傳送到視頻輸出端。4/19/20258線陣CCD外形

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2.面陣CCD線陣CCD只能在一個方向上實現電子自掃描。為了獲得二維圖像，人們在1/2in（英寸）或更大尺寸上研制出了能在x、y兩個方向都能實現電子自掃描的面陣CCD。面陣CCD由感光區、信號存儲區和輸出移位寄存器等組成，根據不同的型號，有多種結構形式的面陣CCD。4/19/2025104×4幀轉移面陣CCD的結構及工作原理在光敏元曝光（或叫光積分）期間,整個感光區的所有光敏元的金屬電極上都施加正電壓,使光敏元俘獲受光照襯底附近的光生電子。曝光結束時刻,在極短的時間內，將感光區中整幀的光電圖像電子信號迅速轉移到不受光照的對應編號存儲區中。此后，感光區中的光敏元開始第二次光積分，而存儲陣列則將它里面存儲的電荷信息一位、一位地轉移到輸出移位寄存器。在高速時鐘的驅動下，輸出移位寄存器將它們按順序輸出，形成視頻信號。4/19/202511三相CCD移位寄存器結構及電子包的轉移過程a）側視圖b）正視圖c）三相時鐘的變化時序d）電子包的轉移過程4/19/2025123.彩色CCD單色CCD只能得到具有灰度信號的圖像。為了得到彩色圖像信號，可將3個（或4個）像素一組，排列組成等邊三角形或其他方式。每一個像素表面分別制作紅、綠、藍（即R、G、B）三種濾色器，形如三色跳棋盤。每個像素點只能記錄一種顏色的信息，即紅色、綠色或藍色。在圖像還原時，必須通過插值運算處理來生成全色圖像。4/19/202513彩色CCD結構示意圖4/19/202514

彩色CCD顯微照片（放大7000倍）4/19/202515紅綠藍三色光譜響應曲線4/19/202516面陣CCD外形

1/2.5英寸的面陣CCD的尺寸為5.38×4.39mm；36mm×24mmCCD等效于35mm。

4/19/202517面陣CCD的畫幅示意圖.

4/19/202518面陣CCD外形（續）1600萬像素的面陣CCD

4/19/202519面陣CCD外形（續）

4/19/202520三、CCD圖像傳感器的應用

線陣CCD可用于一維尺寸的測量，增加機械掃描系統，也可以用于大面積物體（如鋼板、地面等）尺寸的測量和圖像掃描。例如彩色圖片掃描儀、衛星用的地形地貌測量等，彩色線陣CCD還可用于彩色印刷中的套色工藝的監控等。面陣CCD除了可以用于拍照外，還可以用于復雜形狀物體的面積測量、圖像識別（如指紋識別）、印制電路板焊點短路識別等。4/19/202521線陣CCD在圖像掃描中的應用1－輝光放電管光源2－平板玻璃3－原稿4－反光鏡15－反光鏡26－透鏡7－CCD

安裝在掃描儀內部的可移動光源與光學系統、線陣CCD的掃描頭一起，在步進電機的驅動下，沿y方向掃過整個原稿。4/19/202522線陣CCD在掃描儀中的應用（續）照射到原稿上的光線經反射后,穿過一個很窄的縫隙,形成形成沿x方向的光帶,再經過一組反光鏡,由光學透鏡聚焦,照到彩色線陣CCD上,CCD將光帶轉換為RGB串行模擬信號,此信號又被A/D轉換器轉變為數字信號。掃描儀每掃一行,就得到原稿x方向一行的圖像信息。隨著沿y方向的移動,在計算機內部逐步形成原稿的全圖。4/19/202523線陣CCD在圖像掃描中的應用用于彩色印刷中的套色工藝監控

用于衛星，可以對地球上空的云層分布進行逐行掃描4/19/202524線陣CCD測量鋼板寬度的示意圖1－泛光源2－被測帶材3－成像物鏡4－線陣CCD

也可以不用泛光源，改用超高亮度和平行度的大功率LED陣列線性條形光源，置于被測帶材的正下方。4/19/202525線陣CCD用于字符識別4/19/202526CCD數碼相機拍攝的星云照片4/19/202527CCD在印刷電路板（PCB）的故障、位置中的應用.目前，PCB向著超薄型、小元件、高密度、細間距方向快速發展。線路板上元器件組裝密度提高，PCB的線寬、間距、焊盤越來越小。目前，PCB的設計、加工水平已經達到0.1～0.3mm(孔徑)、兩孔之間的最小間距達到0.1mm。高亮度LED高亮度LEDDC4/19/202528CCD應用于PCB的光電檢測系統.圖像傳感器捕獲電路板圖像，通過圖像采集卡將圖像數據傳到計算機系統，并進行算法分析，從而判斷被檢測電路板是否合格。高亮度LED高亮度LEDDC4/19/202529PCB質量的光電檢測機有缺陷的孔放大圖4/19/202530CCD工業顯微鏡可以測量零件的尺寸、形狀、角度和位置，可以輸出到AutoCAD，形成工程圖。4/19/202531CCD數碼顯微鏡拍攝的金屬表面顯微照片4/19/202532三、CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是采用互補金屬－氧化物－半導體工藝制作的圖像傳感器，簡稱CMOS。現在市售的視頻攝像頭多使用CMOS作為光電轉換器件。雖然目前的CMOS圖像傳感器成像質量比CCD略低，但CMOS具有體積小、耗電量省、售價便宜的優點。隨著硅晶圓加工技術的進步，CMOS的各項技術指標有望超過CCD，它在圖像傳感器中的應用也將日趨廣泛。現在的低端數碼相機大部分采用CMOS圖像傳感器，還大量用于手機、汽車倒車監視器等視頻裝備。

4/19/202533CMOS圖像傳感器的結構CMOS圖像傳感器由像素陣列、模擬信號調節電路、模擬多路選擇電器、可編程增益放大器、模數轉換電路和時序控制電路構成。像素陣列4/19/202534CMOS圖像傳感器像素的內部電路CMOS中的光探測部件和輸出放大器是每個像素的一部分，積分電荷在像素內就被轉為電壓信號，由自帶的MOS管放大，通過x-y輸出線輸出，圖像質量較高。4/19/202535CMOS圖像傳感器特點

CMOS傳感器經光電轉換后直接產生電壓信號，信號讀取十分簡單，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD快得多。采用了數字/模擬信號混合設計，圖像傳感器所需的所有功能，如垂直位移、水平位移暫存器、傳感器陣列驅動與控制系統、模數轉換器（ADC）接口電路等，可以集成在一起，實現單芯片成像，因此體積小。使用單一工作電壓（CCD需要三相驅動電壓），因此CMOS功耗低。CMOS的暗電流和噪聲比CCD大，隨著CMOS工藝的改進，性能正迅速提高。4/19/202536CMOS視頻攝像頭

帶紅外LED照明的CMOS視頻攝像頭4/19/202537CMOS視頻攝像頭的外部結構

4/19/202538CMOS視頻攝像頭的外形及內部結構

4/19/202539用于圖像記錄的CMOS圖像傳感器4/19/202540CMOS數碼照相機

數碼相機簡稱DC，它采用CMOS作為光電轉換器件，將被攝物體的圖像以數字形式記錄在存儲器中。數碼相機有光學鏡頭、取景器、對焦系統、光圈、電子快門、內置電子閃光燈、液晶顯示器（LCD）。

4/19/202541三基色分離原理

CMOS數碼照相機的結構4/19/202542數碼相機的結構解剖圖CMOS及鏡頭4/19/202543第六節熱成像技術及應用

紅外熱像傳感器的紅外攝像功能

不同的顏色和亮度代表不同的溫度

任何物體只要溫度高于絕對零度，內部原子就會作無規則運動，并不斷地輻射出熱紅外能量。紅外探測器可將物體輻射的紅外功率信號轉換成電信號，在計算機成像系統的顯示屏上，將得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖。

回目錄4/19/202544紅外熱成像原理光學成像物鏡對準被測目標，被測物的紅外輻射能量成像在紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，一般工作在8~14μm波段上。4/19/202545人眼的視場與客觀世界光輻射的比較紫外光可見光紅外線紫外線可見光紅外線客觀世界的光輻射人眼能感知的光輻射60℃38℃4/19/202546紅外熱像手指的血流圖狗手槍鉆的發熱部位4/19/202547CPU的紅外熱像.4/19/202548熱成像儀在電力領域的使用

4/19/202549變電設備熱像變電站的熱像從熱像中可以判斷過熱位置4/19/202550白天的圖像與晚上的熱像對比

熱像4/19/202551各種輸電設備的熱像輸電線接頭過熱4/19/202552各種電燈的熱象4/19/202553第七節光導纖維傳感器光的全反射演示

結束回目錄4/19/202554各種裝飾性光導纖維4/19/202555發光二極管產生多種顏色的光線，通過光導纖維傳導到塔的表面。在計算機控制下，可產生動態圖案。4/19/202556光的反射、折射當一束光線以一定的入射角θ1從介質1射到介質2的分界面上時,一部分能量反射回原介質；另一部分能量則透過分界面,在另一介質內繼續傳播。

4/19/202557光線的在兩種介質界面的反射與折射a）θ1＞θc時的情況b）θ1=θc時的情況c）θ1＜θc時的情況4/19/202558光的全反射當減小入射角時，進入介質2的折射光與分界面的夾角將相應減小，將導致折射波只能在介質分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角θc。當入射角小于θc時，入射光線將發生全反射。4/19/202559光纖的結構1－纖芯2－包層3－緩沖層4－加強層5－PVC外套4/19/202560光纖的結構（續）

4/19/202561光在光纖中的全反射

4/19/202562光纜的外形及光纖的拉制

4/19/202563光纖的類型

a）階躍型b）梯度型c）單孔型型4/19/202564光纖的類型階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致，稱為多模光纖。典型多模光纖：50/125um、62.5/125μm（前者為纖芯直徑，后者為纖芯+包層直徑）4/19/202565梯度型光纖梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低，至纖芯區的邊沿時，降低到與包層區一樣。4/19/202566單孔型光纖單孔型光纖的纖芯直徑較小（數微米）接近于被傳輸光波的波長，光以電磁場“模”的原理在纖芯中傳導，能量損失很小，適宜于遠距離傳輸。

典型單模光纖直徑：9/125μm（前者為纖芯直徑，后者為纖芯+包層直徑）4/19/202567與光纖耦合的電光與光電轉換器件實現電光轉換的元件通常是發光二極管或激光二極管。4/19/202568與光纖耦合的電光與光電轉換器件

1－發射光纖2－接收光纖光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器、連接器、適配器、法蘭盤，用于實現光信號分路/合路，或用于延長光纖鏈路的元件。是光纖與光纖，或光纖與光源、接收器之間，進行可拆卸(活動)連接的器件，能將光路的兩個端面精密對接起來，以使發射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使其介入光鏈路從而對系統造成的影響減到最小。4/19/202569激光二極管的外形

激光二極管芯片4/19/202570激光二極管與發光二極管的

帶寬及效率的重疊區單模光纖必須采用能發射單一光譜的激光二極管，在傳導過程中的發散損耗可以較小，穩定性較高。4/19/202571光纖的損耗光纖在傳輸信號的過程中損耗應盡量小且穩定。在某些波長上，光纖的損耗非常小。可選擇適當波長的激光管、光電轉換元件(PIN)與光纖匹配。一般價格的標準單模光纖在1550nm波長的損耗系數為0.2dB/km。

4/19/202572專用的光纖連接頭及光纖插座光纖與電光轉換元件耦合時，兩者的軸心必須嚴格對準并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。4/19/202573光纖的終端放大器（光/電信號轉換器）

4/19/202574光纖傳感器光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件（也稱作測量臂，或敏感元件），直接接收外界的被測量。被測量可引起光纖的長度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內傳輸的光被調制。若將光看成簡諧振動的電磁波，則光可以被調制的參數有四個，即振幅（強度）、相位、波長和偏振方向。光纖傳感器多用于高電壓、易爆等場合，不易產生電火花。4/19/202575強度調制型光纖傳感器的幾種形式a）反射式b）遮光式c）吸收式d）微彎式e）接收光輻射式f）熒光激勵式

1－傳感臂光纖2－參考臂光纖3－半反半透鏡（分束鏡）4－光電探測器A5－光電探測器B6－透鏡7－變形器8－輻射體9－熒光體4/19/202576雙路光纖干涉儀用于1－ILD（激光發生器）2－分束鏡3－透鏡4－參考光纖（參考臂）5－傳感光纖（測量臂）6－敏感頭7－干涉條紋8－光電讀出器4/19/202577光纖液位測量

.4/19/202578光纖液位傳感器

4/19/202579光纖液位傳感器用于高壓變壓器

冷卻油的液位檢測1－鵝卵石2－冷卻油3－高壓變壓器4－高壓絕緣子5－冷卻油液位指示窗口6－光纖液位傳感器7－連通器4/19/202580光纖溫度傳感器1－感溫黑色殼體2－液晶3－入射光纖4－出射光纖4/19/202581光纖高溫傳感器a）外觀b）信號處理1－黑體腔2－藍寶石高溫光纖3－光纖耦合器4－低溫耦合光纖5－濾光器6－傳導光纖7－通信接口8－輻射信號處理系統及顯示器9－多路輸入端子4/19/202582保護管內為作為敏感元件的高溫光纖低溫傳導光纖光纖溫度傳感器4/19/202583光纖混凝土應變傳感器

1－入射光纖2－氣隙3－出射光纖4－鋼板5－混凝土6－光源光纖連接頭7－傳導光纖連接頭4/19/202584埋入式光纖光柵應變傳感器埋入式光纖光柵應變傳感器是針對橋梁混凝土箱梁、大壩壩體、高層建筑及其他混凝土構件或預制件內部應力變形測量需求開發的高性能應變計。4/19/202585光纖聲壓傳感器1－聲源2－光纖線圈3－干涉鏡4/19/202586光纖聲壓傳感器拖曳線列陣聲吶的監聽4/19/202587光纖大電流傳感器

1－大電流導線2－光纖線圈當線偏振光（見光的偏振）在光纖中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即ψ=VBl，比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向，上述現象稱為法拉第效應。B4/19/202588光纖大電流傳感器（續）

.4/19/202589基于法拉第電磁效應的光纖電流傳感器應用于架空電纜線路的電流測量和記錄.4/19/202590光纖式光電開關反射型遮斷型反射鏡反射型4/19/202591光纖式光電開關應用標志孔電路板標志檢測

當光纖發出的光穿過標志孔時，若無反射，說明電路板方向放置正確。光纖耦合器傳輸光纖出射光纖4/19/202592光纖式光電開關應用遮斷型光纖光電開關出射光纖接收