为机器视觉应用选择正确的图像传感器

为机器视觉应用选择正确的图像传感器

图像传感器基础知识

图像传感器（有时称为成像器）将光（光子）或其他形式的电磁辐射转换为电流（电子）。通过测量物体在不同点发出的辐射，可以构建、捕获和显示该物体的图像。数字图像的最小单位称为像素。  

图像传感器基本上是单色的。为了促进可见光的彩色成像，最常见的方法是在传感器上方采用滤色矩阵层。该滤镜将光分成红、绿、蓝 (RGB) 分量，并对各个像素的输出进行插值以显示颜色。 

CCD 与 CMOS 图像传感器 

您可能还记得早期的数码相机如何受到电池寿命短的困扰——在电池需要更换或充电之前，您可能只能拍摄十几张照片。这尤其是因为此类相机使用耗电的电荷耦合器件 (CCD) 图像传感器。20 世纪 90 年代 CMOS 图像传感器出现，到 2000 年代中期 CMOS 已成为主导图像传感技术。

与 CCD 相比，CMOS 成像器的成本和功耗较低，推动了这一趋势。早期人们担心 CMOS 传感器会产生更多噪声，从而导致图像质量下降，但随着技术的进步，这个问题已在一定程度上得到缓解。近年来，CCD图像传感器的两大供应商纷纷退出该业务，将研发资源集中到CMOS上，使得CCD得到了有效的发挥。 

CCD图像传感器的工作原理

电荷耦合器件作为半导体存储器而开发，并于 1969 年首次出现。三年后，仙童半导体公司展示了用于在 100 x 100 像素阵列上进行摄影的原型 CCD，到 20 世纪 80 年代中期，您可以购买 1 兆像素的带有 CCD 图像传感器的消费类相机。数码摄影时代已经开始。

CCD 图像传感器包含位于透镜后面的电容器阵列，对于颜色传感器，还包含 RGB 滤光器阵列。每个电容器代表一个图像像素。落在电容器上的光子产生与阵列中该点的光强度成比例的电荷。电荷从每个电容器传递到其相邻电容器，然后通过最终电容器传递到放大器，将累积的电荷转换为电压。重复该过程以构建图像，并在进一步处理之前使用模数转换器 (ADC) 将生成的模拟电压数字化。

CMOS 传感器的工作原理

与 CCD 不同，CMOS 传感器在每个像素处将电荷转换为电压，然后在将信号传递到 ADC 之前对信号进行像素级放大。图 1 说明了这种差异。它的处理速度比CCD 图像捕捉快得多，因此有助于提高摄像机的帧速率。CMOS 图像传感器的能耗可比同等 CCD 设备低一个数量级，制造成本更低，并且随着 CMOS 工艺技术的发展而不断改进。因此，CMOS 图像传感器在大多数应用中已经取代了 CCD。

了解像素和图像传感器分辨率

像素越多，图像的分辨率就越高。这些像素越小，您可以获得的分辨率就越高，并且在给定的图像尺寸内您可以辨别更多的细节。如今，您可以购买具有 1 亿像素的图像传感器，每个传感器的尺寸为 1.5 微米 x 1.5 微米，甚至消费类相机也可以提供 48 兆像素 (MP) 的分辨率。然而，作为一般指导，分辨率越高，图像传感器的成本就越高。还值得记住的是，对于给定的分辨率，单色图像传感器的成本低于彩色图像传感器，因此对于颜色不重要的应用，应考虑单色。尽管 CMOS 传感器使用半导体技术，但其工艺无法像其他半导体那样遵循摩尔定律。这是因为光的波长约为 0.5 微米，因此衍射效应限制了最小可用像素尺寸，从而限制了传感器尺寸的最大分辨率。未来可能会有微小的改进，但一段时间后，提高分辨率的唯一方法将是制造更大的传感器芯片。无论如何，小像素并不总是理想的，因为较大的像素可以捕获更多的光并表现出更好的信噪比，因此这是一个重要的权衡。实际上，工业应用的图像传感器通常使用 1.5 微米到 10 微米之间的像素尺寸。 

尽管分辨率通常是选择图像传感器时考虑的第一个参数，但分辨率并不是唯一重要的特性。还有很多其他因素，但最常见的考虑因素是传感器尺寸、帧速率、快门类型、响应度和动态范围。接口类型、功耗、工作温度范围和机械格式也很重要，但这些适用于任何系统组件，因此我们在这里将重点关注适用于图像传感器的那些。

了解图像传感器尺寸

对于给定的镜头布置，传感器越大，捕获的视野越宽。图像传感器尺寸的命名法历史悠久且令人困惑，但大多数成像器至少大致遵循早期电视图像的 4:3 宽高比。“标准”传感器尺寸指定为 1/4 英寸至 35 毫米，最大的传感器尺寸被称为“全画幅”，因为它与相机的 35 毫米胶片尺寸非常接近。图 2 显示了每个标准尺寸的公制尺寸。

标准图像传感器尺寸的公制尺寸

在任何相机中，图像传感器性能只是故事的一部分。选择兼容的镜头以最大限度地减少失真非常重要，尤其是图像边缘的失真。传感器越大，这个问题就越具有挑战性和昂贵。

图像传感器帧速率

帧速率是每秒捕获的图像数量。它以每秒帧数或 FPS 表示。最大帧速率与快门速度、分辨率有关，分辨率决定了每帧需要传输多少数据、从传感器读取数据的速度以及系统中可能的数据传输速度。要监控快速生产线，您需要更高的帧速率。

当使用图像传感器进行生产线检测时，帧率的计算很简单。如果要检查的物体以每秒 10 次的速度沿线移动，则捕获每个物体的一个镜头所需的最小帧速率为 10 FPS。 

最常见的是，工业图像传感器的帧速率为几十 FPS，但速率范围可以从小于 1 FPS 到运行速度超过 800 FPS 的单色传感器。

图像传感器上的像素如何暴露在光线下取决于相机上使用的快门类型。电子卷帘快门按顺序曝光、采样和读取每个像素，而不是同时进行。例如，如果机器视觉相机正在观察快速移动的传送带，则可能会导致图像形状扭曲。这通常只是快速移动图像的问题，但只要有移动图像，就可能会优先使用全局快门，它同时采样和曝光所有像素（并顺序读取每个像素）。全局快门长期以来一直与 CCD 图像传感器一起使用，但直到最近，与全局快门配合使用的 CMOS 成像器的可用性还受到制造合适像素所涉及的更高工艺复杂性的限制。然而，AMS Osram 和 Onsemi 等制造商现在可以提供经济型全局快门图像传感器。全局快门传感器比类似的卷帘快门类型更大、更昂贵，但它们提供更高的灵敏度和响应度，这使得它们对许多工业应用具有吸引力。 

图像传感器灵敏度和响应度

在图像传感器数据表中，灵敏度和响应度有时可以互换使用，但使用不正确。设备灵敏度是指产生具有特定信噪比或其他定义阈值的输出所需的最小输入刺激。图像传感器的输出与到达它的光强度并不完全线性。在低光照水平下，传感器的输出可能有噪音且不稳定。随着照度增加，照度和输出电压之间存在线性关系，直到饱和并且曲线变平。线性区域内入射照度与输出电压之间的关系就是传感器的响应度。响应度以伏特每勒克斯秒表示，但如果传感器包含一个 ADC 将模拟响应转换为数字值，则可以将其表示为每勒克斯秒的最低有效位 (LSB)。图像传感器的典型响应度范围为每勒克斯秒 1 伏到每勒克斯秒 10 伏。 

顺便说一句，一勒克斯是一流明的光在一平方米上均匀分布所产生的照度水平。流明是光源发出的亮度的度量。为了给出一些比例的概念，它被描述为与距离生日蛋糕蜡烛一英尺处所获得的光强度大致相同。不亮。100W 白炽灯泡将产生大约 1,600 流明。 

图像传感器的动态范围

图像传感器的动态范围定义了传感器可以获取并产生输出信号的最小和最大光水平。传感器的动态范围越高，捕捉高对比度图像的能力就越强。动态范围可以用比率来描述，但更常以分贝或 dB 为单位。人眼的动态范围约为 100,000:1 或 100dB。机器视觉传感器的典型动态范围约为 60dB 至 80dB。 

图像传感器的成本是多少？

传感器类型和格式的广泛性使得成本无法一概而论。此外，我们无法直接比较 CMOS 与 CCD 传感器的成本，尽管我们知道后者的制造成本更高，因为常见设备的格式往往不同。例如，CCD 在线性扫描应用中仍然很受欢迎，其中典型图像尺寸在 1,500 x 1 像素到 10,680 x 4 像素之间。如果是小批量开发，这些设备的单价约为 25 美元至 250 美元。单色版本成本最低，分辨率高于 2 兆像素的彩色版本最昂贵。

在相同的定价基础上，最流行的 CMOS 图像传感器（其工业应用的分辨率为 1 到 5 兆像素）的价格通常在 25 美元到 35 美元之间。

在所有情况下，产品数量的价格都显着降低。

什么是智能视觉？

视觉系统越来越多地连接到运行人工智能 (AI) 算法的计算机。结果之一是智能机器视觉。2D 和 3D 图像的捕获、分组和分析速度比人类执行这些功能的速度和准确度要快得多。根据相机速度和分辨率等因素，可以检测到生产线上最微小的不一致，并在必要时启动纠正措施。这可能意味着识别印刷电路板上的干焊点、编织布上的微小图案缺陷或药品包装线上丢失药丸的卡片。

图像传感器也用于分析液体。例如，通过测量光散射，与计算机视觉系统相结合的传感器可以确定原料奶中存在哪些化合物。没有牛奶被浪费，因为测试不涉及添加任何潜在的污染物来进行测试，这对于质量监测和乳制品疾病的早期识别非常重要。
对视频片段的快速人工智能分析现在在安全领域也发挥着重要作用。例如，执法机构使用智能视觉系统在罪犯经过机场或其他交通枢纽时识别他们。连接到支持人工智能的计算机的摄像头以人类无法模仿的速度促进视频分析。

图像传感器是智能视觉系统中使用的相机的核心，它可以提高我们的工作效率并保证我们的安全。

其他选择因素

本文讨论了为给定应用选择最佳图像传感器时最常见的关键因素。如前所述，还需要考虑模拟/数字接口、物理外形尺寸、功耗以及环境和监管因素。 

访问Avnet.com并在搜索框中输入“图像传感器”即可找到图像传感器的简单选择工具。该工具为您的应用寻找理想的传感器提供了一个良好的起点。

如果您的应用程序需要 3D 图像传感，本文将很好地概述可用的技术。