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新聞資訊

機器視覺係統用圖像傳感器分類

2013-10-16  發布者:admin 

通過讓機器具有某種可視的能力,製造商們獲得了一種有力的質量控製工具。機器視覺(machine vision)係統可捕獲圖像並可以測量一件產品的尺寸、位置和顏色、零部件的位置或者其它的關鍵特性,從而在無人看管的情況下提供快速“通過/未通過”判斷。
所有的機器視覺係統都帶有一台攝像機、一個計算機和捕捉圖像並進行分析的軟件。所選用的係統部件必須能符合具體應用的需要。因為圖像傳感器確定了成像係統的速度和分辨率,故正確的圖像傳感器的選取對於視覺應用的成功來說具有關鍵性影響。下麵將討論機器視覺中所采用的不同的圖像傳感器架構,特別是那些與電子產品製造有關的係統。

圖像傳感器

圖1  圖像傳感器將光轉換成電荷,並按一定的順序讀出電荷信號,使得圖像信息得以重構。

 

線掃描結構

圖2 線掃描結構

 

全幀架構

圖3 全幀架構的像素既將光轉換為電荷,又起到麵讀出(readout areas)電路的作用。


CCD的各種架構
所有的CCD傳感器都同時具備大量光敏感點位(像素)和讀出機構,前者將入射的光子轉換為電荷,而後者將每個點位的電荷以一定的順序輸送到一個輸出放大器中,轉移到傳感器外。人們開發出多種設計,它們往往突出某些方麵的性能,而相應犧牲其它一些方麵的性能,因此,有些圖像傳感器的架構更適合於機器視覺,而其它一些則更適用於從天文到業餘或者職業數碼攝影等多項應用。機器視覺所采用的體係架構包括線陣式、線間轉移、全幀和幀傳輸式等多種傳感器類型。
 
線陣式圖像傳感器
一個線陣式圖像傳感器(逐線掃描)包含一條或者多條像素直線陣列。每個陣列與至少一個讀出裝置及放大器耦合。線陣圖像傳感器適用於那些要對連續製造的產品(如傳送帶上的PC板,未來的印刷塑性電路板以及其它薄型、卷狀的產品,如雜誌、印刷布和/或紙幣)進行成像的機器視覺應用(參見圖2)。總而言之,線陣式傳感器總體結構簡單,適用於對扁平、快速移動的物體的成像,但在需要捕獲3D物體圖像的應用中它們往往無法與麵積型傳感器相競爭。

全幀式傳感器
全幀式傳感器將光電敏感與讀出結合起來。由於不存在單獨的存儲區,故需要一個外部的快門(或者同步頻閃照明)防止入射光在任何電荷轉移發生前照亮像素(見圖3)。如果不采用快門或頻閃 ,則圖像會出現拖尾汙跡效果。
在機器視覺曆史的早期(上世紀80年代中期),人們采用的是全幀麵積傳感器,因為對於該應用而言它們是唯一一種分辨率足夠高的產品。如果一項應用需要1024×1024像素傳感器(如Kodak的KAF-1400傳感器)所能提供的分辨率的話,則全幀式傳感器是唯一的選擇。
總而言之,全幀傳感器的體係結構是各種麵積型傳感器中最簡單的,其分辨率和光敏感麵積的密度也是最高的(後者是指其填充因數最高)。它們還提供了很高的全阱容量(full-well capacity)、低噪聲和大的動態範圍。不過它們需要一個機械快門。
 
幀傳輸式圖像傳感器
一個幀傳輸圖像傳感器類似於全幀成像器。不過,它采用了第二個麵陣列,該陣列實現了光屏蔽且作為圖像的存儲區(參見圖4)。該結構並不需要一個機械快門,故幀速率高於全幀傳感器,因為它們可以在傳送一幅圖像的同時獲取另一幅圖像。不過,由於積分仍然發生在圖像轉移到存儲區的過程中,故圖像存在拖尾汙跡,性能受到一定的影響。因為要實現這一架構需要把集成電路麵積增加一倍,故幀傳輸CCD一般分辨率較低,而成本高於全幀CCD。
總而言之,幀傳輸傳感器具有更高的填充因數、更高的全阱容量、低噪聲、大動態範圍、電子快門和較好的幀速率。它們的主要缺點是曝光時間很短時會出現較大的圖像汙跡,而且製造成本較高。

幀轉移架構收集

 圖4 幀轉移架構收集一個陣列上(頂部)的光線,然後將電荷轉移到另一個實現了光屏蔽的陣列,隨後讀出。

 

線間傳感器架構

圖5  線間傳感器架構將生成光的電荷轉移到緊臨像素的屏蔽區域。傳感器失去了圖像敏感區域,但速度卻得以提高。


 
線間轉移(Interline Transfer)傳感器
在線間圖像傳感器中,光敏感和讀出功能也是分開的。每個像素被一個屏蔽了光線的垂直CCD(VCCD)包圍,該VCCD可以轉移電荷(見圖5)。這使得線間傳感器能在捕捉一幀圖像的同時將前一幅圖像移走,從而實現了內置的電子快門能力。

線間傳感器的開發時間晚於全幀和幀傳輸傳感器。隨著線間技術的成熟,它已經能夠提供機器視覺所需的更高的分辨率和更高的幀速率。如今,線間傳感器是3D物體成像最常用的傳感器形式,其應用包括:確認電路板上放置了正確的元件,或者檢驗封裝後的IC,以確保引線沒有彎折。
總而言之,線間轉移傳感器提供了VGA到百萬像素級的分辨率,以及很高的全阱容量。它們還具有低噪聲、大動態範圍、快門電子化、高幀速率和低汙跡等特點,可以實現短時曝光。
 
結語
總之,用戶希望獲得更快的幀速率(為了跟上快速移動的物體)、更高的量子效率(以便在光線較弱時和/或成像時間更短時提供更多的圖像)和更大的動態範圍(這樣可以在圖像較亮或較暗的部分可以看到相對的細節)。電子快門、漸進式掃描讀出和高靈敏度都是在明確何種傳感器最適用於機器視覺應用時需要考慮的關鍵參數。應該記住的是,正是整套參數的匹配,才使得特定的一種傳感器成為應用的最佳選擇。



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