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探析机器视觉传感器未来趋势

 传感器的动态范围一定程度上决定机器视觉系统所产生的图像质量,位数越高,系统能够分辨的图像的细节就越细微。对更低的暗电流噪音和高精度的需求的日益提高,使传感器的成本变得越来越昂贵。

  机器视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源,它的选择取决于准确性、输出、灵敏度、机器视觉系统的成本以及对应用要求的充分理解。对传感器主要性能的基本理解能够帮助开发人员迅速缩小他们的查找范围,找到合适的传感器。
 
  大多数的机器视觉系统的用户认识到相机是系统的关键要素,经常把它当作视觉系统的芯片。相机本身是一个复杂的系统:包括镜头、信号处理器、通讯接口,以及最核心的部分把光子转换成电子的器件:图像传感器。镜头和其它的部件共同配合来支持相机的功能,传感器最终决定相机的最高性能。
 
  业内的许多讨论都集中在加工技术上,以及CMOS和CCD传感器孰优孰劣。这两种技术都有其优势和不足之处,所加工的传感器有着不同的性能。最终用户关心的不是传感器是如何被制造出来的,而是其在最终应用中的表现。
 
  在指定的应用中,三个关键的要素决定了传感器的选择:动态范围、速度和响应度。动态范围决定系统能够抓取的图像的质量,也被称作对细节的体现能力。传感器的速度指的是每秒种传感器能够产生多少张图像和系统能够接收到的图像的输出量。响应度指的是传感器将光子转换为电子的效率,它决定系统需要抓取有用的图像的亮度水平。传感器的技术和设计共同决定上述特征,因此系统开发人员在选择传感器时必须有自己的衡量标准,详细的研究这些特征将有助于做出正确的判断。
 
  正确理解动态范围
 
  传感器的动态范围是最容易使人疑惑和误解的地方,这是因为机器视觉系统是数字的。图像的动态范围包括两部分:一是传感器能够工作的曝光范围(亮度的倍数);其次是传感器能够数字化像素信号的电平的数量,用位数表示。这两部分通常是紧密相关的。
 
  曝光的动态范围表示传感器能够正常工作的亮度水平。当光子撞击图像传感器的活动像素区域时产生电子,传感器将其捕获并存储起来以备系统读取。撞击活动区域的光子数越多,产生的电子数就越多,在读取的间隔中,该过程持续的时间越长,被存储的电子就越多。决定传感器曝光动态范围的参数之一就是填充存储阱的曝光。制造传感器的半导体加工工艺和电路设计共同决定阱的容量或深度。
 
  电子噪音是传感器能够工作的最低曝光水平,尽管没有任何光子撞击活动的像素区域,图像传感器也将以热量发射的形式产生电子。要产生可识别的信号,必须有足够的光子撞击活动的像素区域,以便在存储阱中有比暗电流噪音所产生的电子数更多的电子。传感器的最低曝光率是产生至少与噪音电子同样多的光电子数。只有在超过噪音等量的曝光水平时,传感器才能产生有用的信息。
 
  传感器的曝光动态范围是由其物理和电路设计所决定的功能,而数字动态范围只是由电路设计所决定的功能。图像传感器的数字动态范围只是说明它能够提供给视觉系统的明显的曝光值。8位的传感器有256个灰度级,10位的有1024个,以此类推。表示动态范围的位数并不是反映传感器能够响应的最高曝光的必须要素,但是这两者通常是相对应的。
 
  比暗电流噪音水平小的等量的信号度不能产生有用的信息,类似地,如果数字化值大于传感器的最大信号值,也不会产生额外的信息。在实践中,传感器需要设计成等量信号度与暗电流噪音水平等值,并有足够信号步进度达到饱和的曝光信号水平。按此方式设计,传感器的数字动态范围与其曝光动态范围说明的是同一事物:饱和等量曝光与噪音等量曝光的比率。
今天是: 2018年12月11日   星期二 友情链接: 合作伙伴:
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