面阵工业相机与机器视觉工程应用

工业相机工业相机与机器视觉工程与机器视觉工程王中任王中任襄樊学院机器人与视觉测控研究室襄樊学院机器人与视觉测控研究室2011.32011.3主要内容主要内容一、相机、图像传感器分类一、相机、图像传感器分类二、面阵二、面阵CCDCCD器件组成、工作原理与典型器件器件组成、工作原理与典型器件三、面阵三、面阵CCDCCD图像传感器的特性图像传感器的特性四、四、CMOSCMOS图像传感器组成、原理与典型器件图像传感器组成、原理与典型器件五、五、CMOSCMOS图像传感器的特性图像传感器的特性六、六、CMOSCMOS与与CCDCCD传感器的主要区别传感器的主要区别七、如何选择合适的工业相机？七、如何选择合适的工业相机？八、八、面阵面阵CCDCCD与与CMOSCMOS的图像采集卡简介的图像采集卡简介九、面阵九、面阵CCD/CMOSCCD/CMOS与机器视觉工程应用与机器视觉工程应用十、数字图像处理简介十、数字图像处理简介一、相机、图像传感器分类一、相机、图像传感器分类11、相机的分类、相机的分类zz线阵线阵//面阵面阵zz黑白黑白//彩色彩色zz数字数字//模拟模拟zz隔行隔行//逐行逐行zz低分辨率低分辨率//高分辨率高分辨率zzCCD/CMOSCCD/CMOSzz⋯⋯⋯⋯、图像传感器分类、图像传感器分类◆◆按结构分类按结构分类11、线阵、线阵CCDCCD传感器传感器22、面阵、面阵CCDCCD传感器传感器33、、CMOSCMOS图像传感器图像传感器◆◆按功能按功能可见光可见光CCDCCD、微光、微光CCDCCD、紫外、紫外CCDCCD、红外、红外CCDCCD、延迟线、延迟线阵、存储器、多路传输器、多路开关组件、阵、存储器、多路传输器、多路开关组件、CCDCCD可编程可编程横向滤波器、横向滤波器、CCDCCD相关器、时间延迟积分（相关器、时间延迟积分（TDITDI））CCDCCD等。等。◆◆按驱动方式分按驱动方式分包括：虚相包括：虚相CCDCCD、、22相相CCDCCD、、33相相CCDCCD、、44相相CCDCCD等等传感器：传感器：可以直接将接收到的一维可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出，获得一维光信息转换成时序的电信号输出，获得一维的图像信号。若想用线阵的图像信号。若想用线阵CCDCCD获得二维图像获得二维图像信号，必须使线阵信号，必须使线阵CCDCCD与二维图像作相对的与二维图像作相对的扫描运动，所以用线阵扫描运动，所以用线阵CCDCCD对匀速运动物体对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。进行扫描成像是非常方便的。传感器传感器::面阵面阵CCDCCD是二维的图像传是二维的图像传感器，它可以直接将二维图像转变为视频信感器，它可以直接将二维图像转变为视频信号输出。但是，面阵号输出。但是，面阵CCDCCD如何将二维图像转如何将二维图像转变为视频信号输出的问题就必须掌握面阵变为视频信号输出的问题就必须掌握面阵CCDCCD的基本工作原理。的基本工作原理。图像传感器：图像传感器：CMOSCMOS图像传感器出现图像传感器出现于于19691969年年,,它是一种用传统的芯片工艺方法将它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、光敏元件、放大器、A/DA/D转换器、存储器、数转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。有着广泛的应用前景。二、面阵二、面阵CCDCCD器件组成原理与典型器件器件组成原理与典型器件¾¾预备知识：二维面阵预备知识：二维面阵CCDCCD的输出信号一般遵守电视系统的扫描制的输出信号一般遵守电视系统的扫描制式，我们常见的是式，我们常见的是PALPAL制式。制式。¾¾PALPAL制式：制式：行周期行周期场周期场周期行正程：行正程：5252μμss，从左到右扫描，从左到右扫描行逆程：行逆程：1212μμss，回扫，消隐，回扫，消隐场正程：场正程：18.4m18.4mss，从上到下扫描，从上到下扫描场逆程：场逆程：1.6m1.6mss，回扫，消隐，回扫，消隐50HZ50HZ分类分类¾¾二维面阵二维面阵CCDCCD是由一维线阵是由一维线阵CCDCCD的光敏单元及的光敏单元及移位寄存器按照一定的方式排列程二维阵列构成移位寄存器按照一定的方式排列程二维阵列构成的。的。¾¾根据排列方式的不同，可以将面阵根据排列方式的不同，可以将面阵CCDCCD分为帧转分为帧转移方式、隔列转移方式、线转移方式和全帧转移移方式、隔列转移方式、线转移方式和全帧转移方式。方式。¾¾帧转移面阵帧转移面阵CCDCCD（（11）场正程为光积分时间，光生电荷被收集到势）场正程为光积分时间，光生电荷被收集到势阱里；光积分结束，进入场逆程。积累信号被转阱里；光积分结束，进入场逆程。积累信号被转移到暂存区。移到暂存区。（（22）当场逆程结束，又进入下一个场正程。）当场逆程结束，又进入下一个场正程。（（33）暂存区与水平读出寄存器在场正程期间按行）暂存区与水平读出寄存器在场正程期间按行周期工作。周期工作。（（44）行逆程，暂存区驱动脉冲使暂存区信号电荷）行逆程，暂存区驱动脉冲使暂存区信号电荷产生一行平行移动；在行正程，水平读出寄存器产生一行平行移动；在行正程，水平读出寄存器在水平读出脉冲作用下输出一行视频信号。在水平读出脉冲作用下输出一行视频信号。（（55）帧转移面阵）帧转移面阵CCDCCD的特点：结构简单，光敏单的特点：结构简单，光敏单元的尺寸可以很小，模传递函数元的尺寸可以很小，模传递函数MTFMTF较高（实质较高（实质是灵敏度），但光敏面积占总面积比例小（填充是灵敏度），但光敏面积占总面积比例小（填充因子小）。因子小）。¾¾隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCDCCD：：每列像敏单元都被读出寄存器所每列像敏单元都被读出寄存器所隔。隔。输出端Φ2Φ1水平读出寄存器沟阻遮光的移出寄存器转移控制栅¾¾隔列转移型的遮光区存储单元和感光单元一一对隔列转移型的遮光区存储单元和感光单元一一对应，都分布在感光平面上。应，都分布在感光平面上。¾¾曝光开始以前，像素上的信息不被记录。曝光开始以前，像素上的信息不被记录。¾¾当系统发出复位信号以后，像素上的信息被清当系统发出复位信号以后，像素上的信息被清除，并记录暗电流信息，然后系统开始曝光。除，并记录暗电流信息，然后系统开始曝光。¾¾曝光时间到达后，感光区上的信息被迅速转移到曝光时间到达后，感光区上的信息被迅速转移到对应的遮光存储单元内，然后感光区复位，准备对应的遮光存储单元内，然后感光区复位，准备下一次曝光。这些过程只需要一个时钟周期。下一次曝光。这些过程只需要一个时钟周期。¾¾再下一次曝光开始前，存储区的信息再转移到再下一次曝光开始前，存储区的信息再转移到DSPDSP电路中，经过处理后存储到数字相机的存储电路中，经过处理后存储到数字相机的存储介质中。介质中。◇◇线转移方式：线转移方式：取消了存储区域，多了一个线寻址电路取消了存储区域，多了一个线寻址电路（图中（图中11所示）。所示）。线寻址电路选择哪一行像敏单元，则驱动脉冲电路将使该行的光生电荷包一位位的按照箭头方向转移，并移入输出寄存器。全帧转移方式全帧转移方式¾¾全帧读出型面阵全帧读出型面阵CCDCCD光电传感器没有垂直移位寄存器，也没有图光电传感器没有垂直移位寄存器，也没有图像暂存区，使有效感光面积比较其他几种大，但这也使其必须像暂存区，使有效感光面积比较其他几种大，但这也使其必须要求闪烁光源照明。全帧读出型面阵要求闪烁光源照明。全帧读出型面阵CCDCCD的结构如图所示。的结构如图所示。¾¾CCDCCD的光敏单元在光照时间内进行光电转换，各单元随光照强度的光敏单元在光照时间内进行光电转换，各单元随光照强度不同积累电荷量亦不同。在无光照期间，各光敏单元信号依次不同积累电荷量亦不同。在无光照期间，各光敏单元信号依次被读出。读出时，面阵中的各行信号均向下一行移动，在最下被读出。读出时，面阵中的各行信号均向下一行移动，在最下行的信号移出光敏感区后进入水平移位寄存器。这时将水平移行的信号移出光敏感区后进入水平移位寄存器。这时将水平移位寄存器中的信号依次移出即可供显示及处理。按上述方法，位寄存器中的信号依次移出即可供显示及处理。按上述方法，将各行信号依次移出后，再进行曝光，再移出，将各行信号依次移出后，再进行曝光，再移出，…………，这样就，这样就可以得到一帧一帧的连续的图像信号。可以得到一帧一帧的连续的图像信号。全帧转移方式全帧转移方式¾¾特点及应用：特点及应用：不存在转移区或暂存区，这使得全不存在转移区或暂存区，这使得全帧读出型帧读出型CCDCCD在读出时不能在读出时不能““曝光曝光””，在，在““曝光曝光””时不能读出。因此这种时不能读出。因此这种CCDCCD要求光源必须是闪烁要求光源必须是闪烁的。虽然它对光源的要求比普通的的。虽然它对光源的要求比普通的CCDCCD要特殊，但要特殊，但它具有一个非常重要的特点，就是其体积小，可它具有一个非常重要的特点，就是其体积小，可以微型化，适合应用在医用及工业电子内窥镜以微型化，适合应用在医用及工业电子内窥镜中。中。¾¾产品举例：产品举例：TC221TC221，，TITI公司生产的一种微型全帧转公司生产的一种微型全帧转移型面阵移型面阵CCDCCD。。¾¾DL32DL32型面阵型面阵CCDCCD：：DL32DL32型面阵型面阵CCDCCD为为NN型表面沟道、三相型表面沟道、三相三层多晶硅电极、帧转移型面阵器件。该器件主要由摄三层多晶硅电极、帧转移型面阵器件。该器件主要由摄像区、存储区、水平移位寄存器和输出电路等像区、存储区、水平移位寄存器和输出电路等四部分四部分构构成，如图成，如图66--11所示。所示。¾¾摄像区和存储区均由摄像区和存储区均由256256××320320个三相个三相CCDCCD单元构成，水平移位单元构成，水平移位寄存器由寄存器由325325个个三相交叠的三相交叠的CCDCCD单元构成。其输出电路由输出栅单元构成。其输出电路由输出栅OGOG、补偿放大器和信号通道放大器构成。、补偿放大器和信号通道放大器构成。¾¾摄像区和存储区摄像区和存储区的的CCDCCD单元结构相同，其单元尺寸如图单元结构相同，其单元尺寸如图66--22所示，所示，其沟道区长为其沟道区长为2020μμmm，沟阻区长为，沟阻区长为44μμmm。在垂直方向上，它由三。在垂直方向上，它由三层交叠的多晶硅电极构成，每层电极的宽度为层交叠的多晶硅电极构成，每层电极的宽度为88μμmm，每个单元的，每个单元的垂直尺寸为垂直尺寸为2424μμmm，光敏区总面积为，光敏区总面积为7.7mm7.7mm××6.1mm6.1mm。。¾¾水平移位寄存器水平移位寄存器的的CCDCCD单元尺寸如图单元尺寸如图66--33所示，水平方向长为所示，水平方向长为1818μμmm，沟道宽度为，沟道宽度为3636μμmm，每个电极处理电荷的实际区域为，每个电极处理电荷的实际区域为66μμmm××3636μμmm。。¾¾CCD