了解用于机器视觉应用的相机传感器

典型的机器视觉系统由数码相机或类似相机，由处理器和软件组成的嵌入式系统，图像采集卡和照明设备组成。与传统靠体力劳动者来做重复的任务，浪费大量时间并在工作流程中造成瓶颈一样，机器视觉系统以强大的准确性和速度来完成相同的工作。

传感器类型

图像传感器是固态设备，是机器视觉系统中最关键的元素之一。图像传感器的基本目的是将入射光转换成可以查看，分析和存储的电信号。根据其结构，它们可以分为两种类型：CCD和CMOS。

电荷耦合器件（CCD）

CCD传感器是由许多感光部位组成的硅芯片。术语“电荷耦合设备”是指电荷包如何从感光位置传输到读出装置。虽然CCD传感器本身是一个模拟设备，但使用模数转换器将输出立即转换为数字信号。采用CCD的一些原因是：

1. 更高的填充系数或有效的收集效率。

2. 更高的动态范围和均匀性。

3. 高图像质量，复杂度更低。

互补金属氧化物半导体（CMOS）

在CMOS传感器中，来自感光像素的电荷被转换成电压。然后，信号按行和列复用到多个片上数模转换器或DAC。每个光敏部位由一个光电二极管和三个晶体管组成，这些晶体管激活像素，执行放大，电荷转换和多路复用。电子卷帘通常伴随着CMOS传感器的多路复用配置。采用CMOS的一些原因是：

1. 由于电荷流较低，因此功耗或功耗较低。

2. 可以处理高强度的光，并且可以用于对焊缝或灯丝进行成像。

3. 比CCD同行更紧凑。

4. 与CCD对应物不同，无需涂抹。

替代传感器材料

短波红外（SWIR）是成像领域的最新进展。SWIR波长甚至可以通过诸如雾等障碍物来促进密度变化的成像。CCD或CMOS图像在红外范围内不够灵敏，无法使用。通过使用特殊的砷化铟镓（InGaAs）传感器可以解决此问题。

传感器功能

在为视觉系统选择合适的传感器之前，了解下面提到的常用术语和传感器功能将是有好处的：

1.像素

这些像素可以是产生与入射光强度成比例的电荷的光电二极管或光电容器。来自这些像素的数据被收集，组织并传输到要显示的屏幕上。

2.传感器尺寸

相机传感器的尺寸在确定视觉系统的视场（FOV）中起着重要作用。如果选择的传感器对于镜头而言太大，则由于渐晕效果，最终图像可能会变差或褪色。相反，可以使用较小的传感器来消除这种隧道效应。

3.帧频和快门速度

帧速率是指在一秒钟内组成的完整帧数。对于高速应用，建议在物体穿过传感器时使用较高的帧速率来获取更多图像。快门速度与传感器的曝光时间相对应，而传感器的曝光时间又决定了接收到的入射光量。

4.电子快门

过去，CCD相机使用电子快门或全局快门，而CMOS相机仅限于滚动快门。全局快门就像机械快门一样，其中所有像素都同时曝光和采样，并且读取顺序发生。另一方面，卷帘快门会依次曝光，采样和读取。

光谱性质

单色相机

CCD和CMOS传感器在大约400-1000 nm的波长范围内起作用。灵敏度可以从传感器的光谱响应曲线确定。由于其增加的区域深度，CMOS传感器通常比CCD传感器对IR波长更敏感。

彩色相机

由于固态传感器基于光电效应，因此无法区分颜色。

CCD彩色摄像机有两种类型：单芯片和三芯片。

单芯片芯片使用马赛克光学滤光片将入射光分离为不同的颜色。然后将这些颜色定向到不同的像素集。在另一方面，使用一个棱镜，以引导不同的颜色不同的芯片。

结论

毫无疑问，传感器是所有机器视觉相机的核心。现代传感器是固态硅芯片，可将入射的光子转换为数字信号。这些信号可以进一步分析，查看和传输。但是，了解关键概念，特征和基本术语是为视觉系统选择合适的相机传感器的先决条件。