機(jī)器視覺系統(tǒng)用圖像傳感器分類

通過讓機(jī)器具有某種可視的能力，制造商們獲得了一種有力的質(zhì)量控制工具。機(jī)器視覺(machine vision)系統(tǒng)可捕獲圖像并可以測量一件產(chǎn)品的尺寸、位置和顏色、零部件的位置或者其它的關(guān)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(jī)器視覺系統(tǒng)都帶有一臺攝像機(jī)、一個計算機(jī)和捕捉圖像并進(jìn)行分析的軟件。所選用的系統(tǒng)部件必須能符合具體應(yīng)用的需要。因?yàn)?a title='圖像傳感器' target='_blank' class='seolabel'>圖像傳感器確定了成像系統(tǒng)的速度和分辨率，故正確的圖像傳感器的選取對于視覺應(yīng)用的成功來說具有關(guān)鍵性影響。下面將討論機(jī)器視覺中所采用的不同的圖像傳感器架構(gòu)，特別是那些與電子產(chǎn)品制造有關(guān)的系統(tǒng)。

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

圖2 線掃描結(jié)構(gòu)

圖3 全幀架構(gòu)的像素既將光轉(zhuǎn)換為電荷，又起到面讀出(readout areas)電路的作用。

CCD的各種架構(gòu)
所有的CCD傳感器都同時具備大量光敏感點(diǎn)位(像素)和讀出機(jī)構(gòu)，前者將入射的光子轉(zhuǎn)換為電荷，而后者將每個點(diǎn)位的電荷以一定的順序輸送到一個輸出放大器中，轉(zhuǎn)移到傳感器外。人們開發(fā)出多種設(shè)計，它們往往突出某些方面的性能，而相應(yīng)犧牲其它一些方面的性能，因此，有些圖像傳感器的架構(gòu)更適合于機(jī)器視覺，而其它一些則更適用于從天文到業(yè)余或者職業(yè)數(shù)碼攝影等多項(xiàng)應(yīng)用。機(jī)器視覺所采用的體系架構(gòu)包括線陣式、線間轉(zhuǎn)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于那些要對連續(xù)制造的產(chǎn)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(chǎn)品，如雜志、印刷布和/或******)進(jìn)行成像的機(jī)器視覺應(yīng)用(參見圖2)?？偠灾€陣式傳感器總體結(jié)構(gòu)簡單，適用于對扁平、快速移動的物體的成像，但在需要捕獲3D物體圖像的應(yīng)用中它們往往無法與面積型傳感器相競爭。

全幀式傳感器
全幀式傳感器將光電敏感與讀出結(jié)合起來。由于不存在單獨(dú)的存儲區(qū)，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(zhuǎn)移發(fā)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(xiàn)拖尾污跡效果。
在機(jī)器視覺歷史的早期(上世紀(jì)80年代中期)，人們采用的是全幀面積傳感器，因?yàn)閷τ谠搼?yīng)用而言它們是*一種分辨率足夠高的產(chǎn)品。如果一項(xiàng)應(yīng)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*的選擇。
總而言之，全幀傳感器的體系結(jié)構(gòu)是各種面積型傳感器中*簡單的，其分辨率和光敏感面積的密度也是*高的(后者是指其填充因數(shù)*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(tài)范圍。不過它們需要一個機(jī)械快門。
 
幀傳輸式圖像傳感器
一個幀傳輸圖像傳感器類似于全幀成像器。不過，它采用了第二個面陣列，該陣列實(shí)現(xiàn)了光屏蔽且作為圖像的存儲區(qū)(參見圖4)。該結(jié)構(gòu)并不需要一個機(jī)械快門，故幀速率高于全幀傳感器，因?yàn)樗鼈兛梢栽趥魉鸵环鶊D像的同時獲取另一幅圖像。不過，由于積分仍然發(fā)生在圖像轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)的過程中，故圖像存在拖尾污跡，性能受到一定的影響。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)這一架構(gòu)需要把集成電路面積增加一倍，故幀傳輸CCD一般分辨率較低，而成本高于全幀CCD。
總而言之，幀傳輸傳感器具有更高的填充因數(shù)、更高的全阱容量、低噪聲、大動態(tài)范圍、電子快門和較好的幀速率。它們的主要缺點(diǎn)是曝光時間很短時會出現(xiàn)較大的圖像污跡，而且制造成本較高。

 圖4 幀轉(zhuǎn)移架構(gòu)收集一個陣列上(頂部)的光線，然后將電荷轉(zhuǎn)移到另一個實(shí)現(xiàn)了光屏蔽的陣列，隨后讀出。

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

 
線間轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了內(nèi)置的電子快門能力。

線間傳感器的開發(fā)時間晚于全幀和幀傳輸傳感器。隨著線間技術(shù)的成熟，它已經(jīng)能夠提供機(jī)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*常用的傳感器形式，其應(yīng)用包括：確認(rèn)電路板上放置了正確的元件，或者檢驗(yàn)封裝后的IC，以確保引線沒有彎折。
總而言之，線間轉(zhuǎn)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(tài)范圍、快門電子化、高幀速率和低污跡等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)短時曝光。
 
結(jié)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(tài)范圍(這樣可以在圖像較亮或較暗的部分可以看到相對的細(xì)節(jié))。電子快門、漸進(jìn)式掃描讀出和高靈敏度都是在明確何種傳感器*適用于機(jī)器視覺應(yīng)用時需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。應(yīng)該記住的是，正是整套參數(shù)的匹配，才使得特定的一種傳感器成為應(yīng)用的*佳選擇。