1_工业相机原理及选型指导解析

-1-工业相机介绍-2-工业相机分类-3-큰항목의제목입력按芯片类型CCD相机CMOS相机按传感器结构特征线阵相机面阵相机按扫描方式隔行扫描逐行扫描按分辨率大小普通分辨率高分辨率按输出信号模拟相机数字相机按输出色彩黑白相机彩色相机按输出数据速度普通速度相机高速相机按响应频率范围可见光（普通）红外、紫外一、工业相机分类-4-CCD&CCD相机-5-相机芯片有不同大小的芯片-6-实物图像?如何准确地描述一幅图像图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上二、CCD&CMOS相机-7-感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。二、CCD&CMOS相机-8-CCDChargedCoupledDevice:电荷耦合器大量的独立的光敏元件排列在一起每个光敏元件称为像素像素图像的基本单位：最小的视觉显示单位.CCD的概念二、CCD&CMOS相机-9-实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷CCD结构及工作原理二、CCD&CMOS相机-10-CCD结构感光二极管（Photodiode）并行信号寄存器（ShiftRegister）-用于暂时储存感光后产生的电荷串行信号寄存器（TransferRegister）-用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大信号放大器-用于放大微弱电信号数摸转换器-将放大的电信号转换成数字信号CCD结构及工作原理二、CCD&CMOS相机-11-CCD工作原理CCD结构及工作原理二、CCD&CMOS相机-12-CCD种类—传输方式隔行传输式（InterlineTransfer）-感光元件产生电信号-电荷转移到并行寄存器-电荷从并行寄存器转移到串行寄存器-串行寄存器将电信号转到模拟寄存器-放大、数摸转换、数字信息快速-暴光和数据读出可同时进行可采用软件控制的电子快门工作动态范围小二、CCD&CMOS相机-13-CCD种类—传输方式全帧（FullFrame）-感光元件产生电信号-电荷转移到串行寄存器-放大、数摸转换、数字信息动态范围宽信噪比高分辨率高成像速度慢必须借助机械快门控制暴光量二、CCD&CMOS相机-14-CCD种类—传输方式全转（FullFransfer）-综合FullFrame和InterlineTransfer特点，在器件上划分感光区和寄存区-暴光和数据转移可以同时进行保证单位像素上的感光面积保证了拍摄速度二、CCD&CMOS相机-15-CCD数字化数字化（Digitization）-模拟信号转换成数字信号•计算机运用2进制运算法则来将CCD采集的电信号转换成数字信号•12bit=4096；14bit=16384；16bit=65536•应用软件将运用一定的运算法则来决定最适合显示器灰度级别的数据二、CCD&CMOS相机-16-CCD像素合并像素合并（Binning）-将相临的像素所堆积的电荷进行合并并当作一个单一的像素输出信号-提高灵敏度（2x2bin提高4倍灵敏度）-降低分辨率（2x2bin降低一半的分辨率）二、CCD&CMOS相机-17-CMOS互补金属氧化物半导体（CMOS，ComplementaryMetalOxideSemiconductor）-核心元件：感光二极管（Photodiode）-同一像点当中包含放大器和数模转换电路（一个感光二极管和三颗晶体管）-开口率底（开口率：有效感光区与整个感光元件面积比值）-灵敏度底、噪声明显-数模转换无法保证严格一致二、CCD&CMOS相机-18-CCDsensor放大A/D光子电子电压数字信号CMOS芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与CMOS的光电转换示意图由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是CMOS的电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的二、CCD&CMOS相机-19-二、CCD&CMOS相机CCDV.S.CMOS-20-CCD与CMOS比较1.由于上面所说的结构，CCD的电路更改就更方便。而由于CMOS的过分集成，电路更改就不方便。但可靠性高。CMOS功耗小。2.CMOS躁声大。3.CMOS灵敏度差。4.CMOS速度快。由结构决定。5.成本CMOS便宜一些。二、CCD&CMOS相机-21-从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用CMOS芯片。二、CCD&CMOS相机-22-CCD芯片的工作方式要经历的过程：A、光电转换，B、电荷储存，C、电荷转移，D、信号放大二、CCD&CMOS相机-23-相机（光电转换器，完成信号转换）种类：线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOS指标：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感应曲线、动态范围、灵敏度、速度、噪声、填充因子、体积、质量、工作环境等工作模式：Freerun、Trigger（多种）、长时间曝光等A/DCCD二、CCD&CMOS相机-24-成像方式CCD大小信噪比信号制式图像像素最低照度同步系统快门速度局部扫描读出模式触发快门增益三、CCD相机相关参数、概念-25-ProgressiveScan逐行扫描InterlanceScan隔行扫描成像方式三、CCD相机相关参数、概念-26-成像方式隔行/逐行VerticalccdregisterHorizontalccdregisterShutterOddEvenPhotodiode(pixel)XsubXsg1Xsg2Progressive逐行Interlace隔行MovingobjectVideooutXsubVerticalccdregisterHorizontalccdregisterShutterPhotodiode(pixel)Xsg1三、CCD相机相关参数、概念-27-CCD信号制式从分辨率上看，CCIR对应于PAL，EIA对应于NTSC。彩色CCD制式：NTSC(美国国家电视系统委员会制式)H59.94Hz/V15.734HzV:H为4:3应用在美国和日本PAL(相位逐行交变制式)H50Hz/V15.625Hz应用在欧洲和中国黑白CCD制式：EIA(RS170)30帧/s60场H15.75Hz在美国及日本通用CCIR25帧/s50场H15.625Hz在欧洲及中国通用三、CCD相机相关参数、概念-28-CCD信号制式从分辨率上看，CCIR对应于PAL，EIA对应于NTSC。三、CCD相机相关参数、概念-29-CCD芯片尺寸特殊之处：1inch=16mm≠25.4mm三、CCD相机相关参数、概念-30-CCD芯片尺寸相机芯片尺寸镜头尺寸≧相机芯片尺寸三、CCD相机相关参数、概念-31-快门速度快门速度就是用来控制曝光时间的装置，一般而言，快门速度跨越的时间范围越大越好如:1/30~1/16,00010steps1/15~1/8,00010steps三、CCD相机相关参数、概念-32-图像像素图像像素TV格式752x48638万像素VGA640x48033万像素SVGA800x60048万像素XGA1024x76880万像素SXGA1280x1024130万像素UXGA1600x1200200万像素三、CCD相机相关参数、概念-33-图像分辨率：一般的，假定算法的精度是一个像素，需要检测的某个方向的尺寸为X，希望检测的精度为△X，那么我们需要的分辨率就是：X/△X如，检测一个长度约为10mm的工件，精度为0.01mm，则图像需要10/0.01＝1000像素对于选择线扫描相机，水平方向的分辨率计算如上。垂直方向的分辨率=扫描速度/行频。扫描速度：被测物体每秒钟在垂直方向上移动的距离。图像分辨率三、CCD相机相关参数、概念-34-最低照度最低照度是测量摄像机感光度的一种方法，换句话说，摄像机在多黑的条件下能看到可用的影像。普通型正常工作所需照度1~3Lux日光型正常工作所需照度0.1Lux星光型正常工作所需照度0.01Lux红外型采用红外照明，没有光线也可成像当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。三、CCD相机相关参数、概念-35-相机镜头接口类型接口类型后截距螺纹尺寸CMount17.526mm25.4mm32tpithreadCSMount12.5mm25.4mm32tpithreadFMount46.5mm卡口KMount45.5mm卡口三、CCD相机相关参数、概念-36-相机数据接口相机采集的数据及参数输出到外部的接口。三、CCD相机相关参数、概念-37-相机数据接口除以上常用接口外，常见的还有模拟相机用的BNC（Video）接口和12PIN口。三、CCD相机相关参数、概念-38-