工业相机技术基础 _CCD传感器

术语“ CCD”是指“电荷耦合装置”，并且是能够传输电荷的电子模块。

这项技术是由Willard Boyle和George E. Smith在贝尔实验室于1969年发明的，它纯粹是用于数据存储的，但是出于存储目的。在发现这种效应40年后，由于这项根本上重要的发明而获得2009年诺贝尔物理学奖。

电荷耦合器件（CCD）的动画

利用该原理来移位和读出光敏像素的电荷的图像传感器称为“ CCD传感器”。频率，即传感器每秒能够将电荷传输一个像素的频率，称为“像素时钟”。如今，CCD的工作频率约为25至50 MHz。

对光敏感的简化功能原理

内部光电效应对于传感器的功能至关重要。硅晶体的原子位于离散的能带上，在能量上较低的价带称为价带，在能量上较高的称为导带。在基本状态下，大多数电子都在价带上，但是它们可以通过外部激发而传输到导带上。为此所需的能量为1.26 eV或更高。对于CCD传感器，这种传输可以由光引起，但也可以由更高的热量供应（传感器的暗噪声）引起。通过上述电荷转移，电荷以许多小的步长通过整个传感器传输到中央放大器/ AD转换器。

CCD传感器的典型布局

通常，我们区分几种典型的CCD传感器布局，这些布局如下所述：

1. 行间转移CCD

2. 全帧传输CCD

3. 帧传输CCD

其中主要是所谓的“行间转移传感器”已在机器视觉中获得认可。帧传输CCD和全帧传输CCD目前主要用于图像刷新率较低的科学应用中，其中对光的极高灵敏度是主要标准。

CCD传感器技术的优缺点

由于电荷的转换是由一个中央放大器/ AD转换器针对所有像素完成的，因此与CMOS传感器相比有很多优点和缺点：

优点

1. 由于增加了表面使用率，从而提高了灵敏度并降低了噪音（填充系数更高）

2. 由于结构更简单，缺陷像素更少

3. 中央A / D转换器使图像更均匀

缺点

1. 读数速度慢，因为只有一个中央A / D转换器数字化

2. 像CMOS传感器一样，不能直接访问像素，因为必须连续读取CCD传感器

3. 由于需要额外的电子设备，摄像机布局更加复杂，导致摄像机体积更大，价格更高

4. 整个相机的能耗更高

5. 与CMOS传感器相比，曝光过度时会有更多的拖尾现象

对机器视觉很重要

1. 在大多数工业应用中，都使用带有CCD传感器的相机。它们噪声低，对光敏感，具有很高的均匀性，并且由于其线性特性，适合精密测量应用。

2. 绝大多数工业相机制造商在其标准产品中都使用了CCD传感器，其中90％的情况是由索尼制造的。多年来，不断有新的和先进的传感器投放市场。

3. 由于增强了生产技术，因此可以实现更高的像素灵敏度，进而可以实现越来越小的像素尺寸（保持相同的质量）。因此，对光学器件的质量要求已大大提高。

4. 柯达开发了具有特别快的帧速率或特别高分辨率的CCD传感器（自2011年以来：TrueSense）。在这里看一下数据手册也是值得的，以查看使用哪种类型（新/旧变体）。

5. 几乎每个传感器都有一定数量的缺陷像素，有时可以通过相机固件通过像素错误校正来消除。CCD制造商通常以质量等级“ B”，“ A”和“零”来区分其传感器，以描述缺陷像素的数量。它们的价格各不相同。在极端关键的应用情况下，您可以从某些相机制造商处购买“零”级缺陷像素为零的相机，但需要额外付费。

6. 大约每升高6度，像素的热噪声就会加倍。优质的相机在操作过程中不应变得特别热。此外，避免将相机安装在蓄热区。