浅谈机器视觉传感器

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1、浅谈机器视觉传感器机器视觉传感器是整个机器视觉系统信息的宜接来源，它的选择取决于准确性、输出、灵敏度、机器视觉系统的成本以及对应用要求的充分理解。对传感器主要性能的基本理解能够帮助开发人员迅速缩小他们的查找范围，找到合适的传感器。大多数的机器视觉系统的川户认识到相机是系统的关键要素，经帘把它当作视觉系统的“芯片”。相机木身是一个复朵的系统：包括镜头、信号处理器、通讯接口，以及最核心的部分——把光子转换成电了的器件：图像传感器。镜头和其它的部件共同配介来支持相机的功能，传感器最终决定相机的最高性能。业内的许多讨论都集屮在加工技术上，以及

2、CMOS和CCD传感器孰优孰劣。这两种技术都有其优势和不足之处，所加工的传感器有着不同的性能。最终用户关心的不是传感器是“如何”被制造出来的，而是其在最终应用中的表现。在指定的应用中，三个关键的要素决定了传感器的选择：动态范围、速度和响应度。动态范围决定系统能够抓取的图像的质量，也被称作对细节的体现能力。传感器的速度指的是每秒种传感器能够产生多少张图像和系统能够接收到的图像的输出量。响应度指的是传感器将光子转换为电子的效率，它决定系统需要抓取有用的图像的亮度水平。传感器的技术和设计共同决定上述特征，因此系统开发人员在选择传感器吋必须有

3、口己的衡量标准，详细的研究这些特征将有助于做出正确的判断。正确理解动态范围传感器的动态范围是最容易使人疑惑和误解的地方,这是因为机器视觉系统是数字的。图像的动态范围包插两部分：一是传感器能够工作的曝光范围（亮度的倍数）；其次是传感器能够数字化像素信号的电平的数量，用位数表示。这两部分通常'是紧密相关的。曝光的动态范围表示传感器能够正常工作的亮度水平。当光子撞击图像传感器的活动像素区域时产生电子，传感器将其捕获并存储起来以备系统读取。撞击活动区域的光子数越多，产生的电子数就越多，在读取的间隔中，该过程持续的时间越长，被存储的电子就越多。

4、决定传感器曝光动态范围的参数之一就是填充存储阱的曝光。制造传感器的半导体加工工艺和电路设计共同决定阱的容罐或深度。电子噪音是传感器能够工作的最低曝光水平,尽管没有任何光子撞击活动的像素区域,图像传感器也将以热量发射的形式产牛•电子。要产牛可识别的信号，必须有足够的光子撞击活动的像素区域，以便在存储阱中有比暗电流噪音所产生的电子数更多的电子。传感器的最低曝光率是产生至少与噪音电了同样多的光电了数。只有在超过噪音等量的曝光水平时，传感器才能产生有用的信息。传感器的曝光动态范围是rti其物理和电路设计所决定的功能，而数字动态范围只是由电路设

5、计所决定的功能。图像传感器的数字动态范围只是说明它能够提供给视觉系统的明显的曝光值。8位的传感器冇256个灰度级，10位的冇1024个，以此类推。表示动态范围的位数并不是反映传感器能够响应的最高曝光的必须要素，但是这两者通常是相对应的。比暗电流噪音水平小的等量的信号度不能产生有用的信息，类似地，如果数字化值大于传感器的最人信号值，也不会产生额外的信息。在实践屮，传感器需要设计成等量信号度与暗电流噪音水平等值，并有足够信号步进度达到饱和的曝光信号水平。按此方式设计，传感器的数字动态范围与其曝光动态范围说明的是同一事物:饱和等量曝光为噪音

6、等量曝光的比率。交互作用决定取舍传感器的动态范围一定程度上决定机器视觉系统所产生的图像质量，位数越高，系统能够分辨的图像的细节就越细微。对更低的暗电流噪咅和高精度的需求的LI益提高，使传感器的成本变得越來越昂贵。然而，不是所有的应川都需要精细的图像。因此，设计师们设计了不同动态范围的传感器供选择。例如，邮包分拣或电子牛•产检查，8位的动态范围就可以冇效地工作。但是，医疗和空中侦察就需要14位的动态范围。应用需求还对传感器的笫二项特征速度提出了要求。速度是比动态范围更直观的特征,它只是衡量传感器采集和传送图像到系统的速度有多快。传感器的

7、速度也包插两个方面：一个是帧频，也就是传感器传送像素数据到系统所需要的时间。另外就是传感器为了采集一幅冇用的图像所需的曝光时间。帧频永远都不会比曝光时间快，因此帧频是用来说明传感器性能的通用量值。在加工检查类的应用中，传感器的速度决定系统的输出。如果每一幅图像代表待检的一个零件，那么系统每秒能够检杏的零件数圧不会高于传感器每秒能够发送的帧数。当成像的物体处于运动状态时，为防止出现图像模糊，必须要求高的采集速度。因此对于高输出量的检测系统和对高速运动物体的成像应用需耍高速的传感器。速度和动态范围是相互关联的，为了快速地传送图像，传感器必

8、须快速地对每一•个像素的数据进行数字化。这就意味着模拟到数字转换器需要快速地形成一个稳定的输岀。从物理层面和设计角度上讲，速度应该让步于动态范围。电路运行的速度越快，产生的热量就越多。传感器的暗电流噪音随着温度的增加而增