视觉传感器的工作原理

1.机器视觉的含义

机器视觉，顾名思义就是将自动控制机器的能力和视觉传感结合起来。形象地说，人通过眼睛感知外部世界的变化，然后通过大脑进行分析处理、作出判断，最后由手和脚完成动作。机器视觉就是将这一过程通过具有运算能力的自动化控制设备来完成的。具体来说，机器视觉是用摄像机代替人眼，用计算机代替人的大脑来进行测量与判断的。

如图5-68所示的机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数宇化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如：面积、长度、数量、位置等；再根据预设的容许度和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等；最后根据判别的结果来控制现场的设备动作。

图5-68 机器视觉系统

机器视觉技术，是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。其特点是速度快、精度高、自动化及智能化程度高、非接触、客观性强、可靠性高、信息量大、功能多、生产效率高。正是由于机器视觉具有这些特点，因此在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域，广泛应用于食品和饮料、化妆品、制药、建材和化工、金属加工、电子制造、包装印刷、汽车制造等行业中。

2.CCD传感器

如图5-69所示的电荷耦合器件图像传感器（Charge CouPIed Device，CCD），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数宇信号，数宇信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想象来修改图像。

CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存储和延时等功能，而巨集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存储3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得了令人瞩目的发展。

图5-69 CCD传感器

CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成一个平面的器件；而线阵是把CCD像素排成一直线的器件。

（1）面阵CCD面阵CCD的结构一般有三种。

第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。

第二种是行间转移性CCD。它是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在一个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。

第三种是帧行间转移性CCD。它是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等。(www.xing528.com)

（2）线阵CCD线阵CCD是用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。

3.CMOS传感器

CMOS（ComPIementary MetaI-Oxide-Semicon-ductor），中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带-电）和P（带＋电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器（见图5-70），CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器（Passive PixeI Sensor CMOS）与主动式像素传感器（Active PixeI Sensor CMOS）。

图5-70 CMOS传感器

4.CMOS与CCD的区别

CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数宇数据，而其主要差异是数宇数据传送的方式不同。CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。

造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。

由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：

（1）灵敏度差异 由于CMOS传感器的每个像素由4个晶体管与一个感光二极管构成（含放大器与A/D转换电路），使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

（2）成本差异 由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路（如AGC、CDS、Timing generator或DSP等）集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50％的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

（3）分辨率差异 CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂，其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，市面上CMOS传感器最高可达到210万像素的水平（OmniVision的OV2610，2002年6月推出），其尺寸为1/2英寸，像素尺寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与OV2610相差不多（1/1.8英寸），但分辨率却能高达513万像素，像素尺寸也只有2.78mm的水平。

（4）噪声差异 由于CMOS传感器的每个光敏二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。

（5）功耗差异CMOS传感器的图像采集方式为主动式，光敏二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个像素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外（需外加Power IC），高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，OmniVision推出的OV7640（1/4英寸、VGA），在30fPs的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW以上。因此CCD发热量比CMOS大，不能长时间在阳光下工作。

综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场（这方面的代表业者为Sanyo）；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品。