工业数字相机的应用及基础知识

秋水伊人

工业数字相机的应用及基础知识

随着科技的飞速发展，工业数字相机在机器视觉、工业检测、图像处理等等方面有着非常广泛的应用，但是工业相机的相关知识学习渠道相当匮乏，经过多年的技术积累，先将工业数字相机的相关基础知识做一分类整理与大家共享。
1、在机器视觉检测技术中，工业相机输入、输入、输出接口有下列几种
     1).Camera Link; 如: P2-2X-01K40就为Camera Link接口。
     2).IEEE 1394 ; 如:MV-VS078FC/FM就为1394接口。
     3).USB2.0 ; 如:MV-VD040SC/SM就为USB接口。
     4).Ethernet ; 如: MV-VEM200SC/SM就为GigE接口。
     5).USB3.0 ; 如: MV-VDM130SC/SM就为USB3.0接口。
2. 知道被测物的长、宽、高以及要求的测量精度，如何来选择CCD相机和工业镜头，选择以上器件需要注意什么？  
首先要选择合适的镜头。选择镜头应该遵循以下原则；
     1).与之相配的相机的芯片尺寸是多大；
     2).相机的接口类型是哪种的，C接口，CS接口还是其它接口。
     3).镜头的工作距离；
     4).镜头视场角；
     5).镜头光谱特性；
     6).镜头畸变率；
     7).镜头机械结构尺寸；
    选择CCD相机时，应该综合考虑以下几个方面
     1).感光芯片类型；CCD还是CMOS
     2).视频特点；包括点频、行频。
     3).信号输出接口；
     4).相机的工作模式：连续，触发，控制，异步复位，长时间积分。
     5).视频参数调整及控制方法：Manual、RS232.
    同时，选择CCD的时候应该注意，linch=16mm而不是等于25.4mm.
3. CCD相机与CMOS相机的区别在哪里？
1. 成像过程      
CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS 芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。
      2. 集成性      
从制造工艺的角度看，CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料商，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的版单体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此声场CMOS的成本相对CCD低很多。同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。
3. 速度         
CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，目前大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。此外CMOS 的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。
4. 噪声         
CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。