機(jī)器視覺(jué)鋁箔針孔檢測(cè)的圖像傳感器選擇分析
來(lái)源：2014年11月21日熱度：788
在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中攝像機(jī)的作用是將通過(guò)鏡頭聚焦于像平面的光線生成圖像，其中最重要的組成部件是數(shù)字傳感器。目前常用的就是CCD傳感器和CMOS傳感器。下面看看兩種傳感器的特點(diǎn)并比較它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，選出最適合鋁箔針孔在線檢測(cè)的傳感器。
一、CCD傳感器
CCD，英文全稱是 Charge Coupled Device ，即電荷耦合器件，它由一行光線敏感的光電探測(cè)器組成，光電探測(cè)器一般為光柵晶體管或光電二極管。其工作原理為曝光時(shí)光電探測(cè)器累計(jì)電荷，通過(guò)轉(zhuǎn)移門(mén)電路，電荷被移至串行讀出寄存器從而讀出。CCD的每個(gè)光電探測(cè)器都是和一個(gè)串行讀出寄存器一一對(duì)應(yīng)，我們需要用金屬護(hù)罩阻止其它干擾光子照射到具有光敏特性的串行讀出寄存器上。工作過(guò)程為：電荷轉(zhuǎn)換單元把接受到的電荷轉(zhuǎn)為電壓，再將其放大，最后轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字視頻信號(hào)。
CCD從結(jié)構(gòu)上可以分為線陣CCD傳感器和面陣CCD傳感器。線陣CCD傳感器只能生成高度為1行的圖像，為得到有效圖像，線陣CCD傳感器必須作相對(duì)于被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)：一種方法是將傳感器安置在運(yùn)動(dòng)的被測(cè)物（如傳送帶）上方，第二種是被測(cè)物不動(dòng)而傳感器相對(duì)被測(cè)物運(yùn)動(dòng)。這說(shuō)明了線陣CCD不能直接把二維圖像轉(zhuǎn)換為我們所需要的視頻信號(hào)，是因?yàn)樗荒芙邮芤痪S光信號(hào)，我們必須通過(guò)掃描的方法來(lái)得到整個(gè)二維圖像的所有視頻信息。面陣CCD傳感器從結(jié)構(gòu)上分為全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器、幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器、隔列轉(zhuǎn)移型傳感器三種。全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器是光在光電探測(cè)器中轉(zhuǎn)換為電荷，一行一行地轉(zhuǎn)移到串行讀出寄存器，然后進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)換和放大讀出，在讀出過(guò)程中，光電傳感器還處于曝光狀態(tài)，仍有電荷累積，由于上面的像素要經(jīng)過(guò)下面的像素移位移出，所以會(huì)出現(xiàn)拖影現(xiàn)象，這是全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器的最大缺點(diǎn)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是填充因子可達(dá)100％。幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器是全幀轉(zhuǎn)移型傳感器加上另外的覆蓋有金屬光屏蔽層的傳感器用于存儲(chǔ)，這種傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是其填充因子可達(dá)100％，而且不需要機(jī)械快門(mén)或閃光燈，缺點(diǎn)是其通常由兩個(gè)傳感器組成因此成本高。隔列轉(zhuǎn)移型傳感器是由光電探測(cè)器與一個(gè)帶有不透明的金屬屏蔽的垂直轉(zhuǎn)移寄存器組成，其工作原理是圖像曝光后，累積到的電荷通過(guò)傳輸門(mén)電路轉(zhuǎn)移到垂直傳輸寄存器中，再移至串行讀出寄存器，然后讀出形成視頻信號(hào)，其最大缺點(diǎn)是由于其傳輸寄存器需要在傳感器上占用空間，所以它的填充因子可能低至20％，圖像失真會(huì)增加，常利用在傳感器上加上微鏡頭來(lái)使光聚焦至光敏光電二極管，然而即使這樣也不可能使其填充因子達(dá)到100％。
二、CMOS傳感器
CMOS，英文全稱是Complementary Metal-Oxide Semiconductor，即互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體，通常采用光電二極管作為光電探測(cè)器，與CCD傳感器不同，光電二極管中的電荷不是順序地轉(zhuǎn)移到讀出寄存器，CMOS傳感器的每一行都可以通過(guò)行和列選擇電路直接選擇并讀出，這方面CMOS傳感器可以當(dāng)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。按像素結(jié)構(gòu)分為被動(dòng)式與主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)，又叫無(wú)源式，它由被反向偏執(zhí)的光敏二極管以及MOS開(kāi)關(guān)管兩個(gè)元件構(gòu)成。光敏管本質(zhì)上是一個(gè)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)，它等效為被方向偏置的二極管并聯(lián)上一個(gè)MOS管型電容組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)，該光敏管和垂直布局的列線相連接，由該列線末端的電荷型積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)，當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到與列線電壓相同的值，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的電荷由電荷型積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。主動(dòng)式像素結(jié)構(gòu),又叫有源式，這種傳感器中的每個(gè)像素都有一個(gè)自己的獨(dú)立放大器，主動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)有助于改善像素的性能，但是集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效面積，降低了“封裝密度”，使40%～50%的入射光被反射。另外被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)的電荷填充因數(shù)通?？蛇_(dá)到70%，因此量子效率高。但光電二極管積累的電荷通常很小，很易受到雜波干擾。再說(shuō)像素內(nèi)部又沒(méi)有信號(hào)放大器，只依賴垂直總線終端放大器，因而讀出的信號(hào)雜波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素雜波大小不一樣（固定圖形噪波FPN）而影響整個(gè)圖像的質(zhì)量。而主動(dòng)性像素結(jié)構(gòu)與被動(dòng)式相比，它在每個(gè)像素處增加了一個(gè)放大器，可以將光電二極管積累的電荷轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行放大，大大提高了S/N比，從而提高了傳輸過(guò)程中抗干擾的能力。但由于放大器占據(jù)了過(guò)多的像素面積，因而它的填充因數(shù)相對(duì)較低，一般在25%～35%之間。此會(huì)采用微鏡頭來(lái)增加填充因子和減少圖像失真。由于PPS信噪比低、成像質(zhì)量差，所以APS結(jié)構(gòu)應(yīng)于絕大多數(shù)CMOS傳感器。
三、CCD傳感器與CMOS傳感器性能的比較
由于構(gòu)造上的差異，造成了CCD和CMOS的性能也不大一樣。CMOS的制作過(guò)程需要在整合每個(gè)像素資料之前先行放大，但是不會(huì)設(shè)計(jì)專屬通道，這樣就比較簡(jiǎn)單；而CCD與CMOS不一樣的是它需經(jīng)過(guò)專屬通道設(shè)計(jì)，這是為了充分保持信號(hào)在傳輸過(guò)程中不會(huì)發(fā)生失真現(xiàn)象，為了保持資料的完整性，CCD需要透過(guò)每一個(gè)像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理。總的來(lái)說(shuō)，成像效果是最能反映CCD與CMOS設(shè)計(jì)應(yīng)用的不同。下面比較一下CCD傳感器和CMOS傳感器在解析度、ISO的感光度、耗電量、噪聲以及制造成本等方面的差異：
1、解析度差異：在ISO感光度中知道，由于CMOS每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)比CCD復(fù)雜，其感光開(kāi)口不及CCD大，在相同尺寸下，CCD感光器的解析度通常會(huì)優(yōu)于CMOS。不過(guò)，如果不考慮尺寸的限制，從量率上的角度來(lái)看，由于CMOS在這方面的優(yōu)勢(shì)，使其成為克服尺度較大的感光原件制造方面的優(yōu)先選擇。
2、ISO的感光度差異：在CMOS感光傳感器中，由于放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路存在于每個(gè)像素中，而過(guò)多的這樣的設(shè)備占用了本來(lái)就小的感光區(qū)域的面積，因此在像素相同的情況下，對(duì)于尺寸相同的感光器，在感光度方面，CMOS型傳感器不比CCD型傳感器。
3、噪點(diǎn)差異：在CMOS傳感器型的任何一個(gè)感光二極體的旁邊都要配置A/D轉(zhuǎn)換器的放大器，假設(shè)像素以百萬(wàn)來(lái)計(jì)算，那么需要A/D轉(zhuǎn)換器中放大器的數(shù)目就在百萬(wàn)個(gè)以上。即是產(chǎn)品是統(tǒng)一制造出的，但是每個(gè)運(yùn)算放大器都會(huì)存在或多或少的差異，達(dá)到同步的放大效果幾乎是不可能的，因此相對(duì)于CCD型來(lái)說(shuō)，CMOS型的傳感器的噪點(diǎn)就要多一些。
4、耗電量差異：CMOS傳感器的影像型電荷驅(qū)動(dòng)方式被稱為主動(dòng)式，電晶體管直接放大由感光型二極體產(chǎn)生的電荷，然后進(jìn)行輸出；但CCD型的為被動(dòng)式結(jié)構(gòu)，任何像素中的電荷如果要移到傳輸通道，必須要通過(guò)外加高達(dá)12V以上的電壓來(lái)操作。因此相對(duì)于CMOS型，CCD還需要更精密的外加電源的設(shè)計(jì)以及耐壓方面的強(qiáng)度。而且高的驅(qū)動(dòng)電壓導(dǎo)致CCD的電量也要高于CMOS。
5、成本差異：CMOS應(yīng)用在半導(dǎo)體工業(yè)常用的MOS 制程，可以整合所有的周邊設(shè)施在單晶片中，節(jié)省了處理晶片所需的成本和產(chǎn)量的損失；相對(duì)地電荷耦合器件采用電荷轉(zhuǎn)移方式輸出信息，必須另辟傳輸通道，如果該通道中有一個(gè)像素發(fā)生故障，將導(dǎo)致一整排的信號(hào)擁塞，無(wú)法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加ADC等周邊，CCD的制造成本相對(duì)高于CMOS。
6、靈敏度差異：CCD傳感器的靈敏度高于CMOS傳感器。是因?yàn)镃MOS傳感器上面的每個(gè)像素都是由一個(gè)感光二極管和四個(gè)晶體管（包括放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路），使得像素本身的表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于每個(gè)像素的感光區(qū)域，因此在像素尺寸完全一樣的情況下，CCD的靈敏度更高一些。
7、分辨率差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)像素都要比CCD傳感器要復(fù)雜得多，且像素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，所以當(dāng)我們比較相同尺寸的CMOS和CCD傳感器時(shí)，通常來(lái)說(shuō)CCD傳感器的分辨率都會(huì)由于CMOS傳感器。例如，目前市面上Sony推出的一款I(lǐng)CX452，它的尺寸與OV2610相差不多，但是分辨率卻高達(dá)513萬(wàn)像素，像素尺寸只有2.78μm的水平。CMOS傳感器高達(dá)210萬(wàn)像素的的OV2610，其尺寸為1/2英寸，像素尺寸為4.25μm。
表1 CCD和CMOS的性能對(duì)比
|
性能參數(shù) |
CCD |
CMOS |
|
靈敏度 |
優(yōu) |
良 |
|
噪聲 |
優(yōu) |
良 |
|
光暈 |
有 |
無(wú) |
|
電源 |
多電極 |
單一電極 |
|
集成程度 |
低 |
高 |
|
功耗 |
高 |
低 |
|
電路結(jié)構(gòu) |
復(fù)雜 |
簡(jiǎn)單 |
|
抗輻射 |
弱 |
強(qiáng) |
|
動(dòng)態(tài)范圍 |
大于70dB |
大于70dB |
|
傳感器體積 |
大 |
小 |
|
彩色編碼 |
片外 |
片內(nèi) |
|
ADC模塊 |
片外 |
片內(nèi) |
|
時(shí)許及控制電路 |
片外 |
片內(nèi) |
|
自動(dòng)增益控制 |
片外 |
片內(nèi) |
綜合來(lái)看，CCD具有成像像素高、清晰度高、色彩還原系數(shù)高、靈敏度高、成像質(zhì)量高的特點(diǎn)，但是CCD的成本高、功耗大、系統(tǒng)集成度差、數(shù)據(jù)讀取速率慢的缺陷。一般來(lái)說(shuō)CCD應(yīng)用于對(duì)圖像質(zhì)量要求高、低照度的環(huán)境中，而CMOS圖像傳感器應(yīng)用于對(duì)圖像質(zhì)量要求一般、成本要求低的場(chǎng)合。
