工业相机传感器CCD的原理及基础知识

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。其成像原理与小孔成像类似，但更为复杂。当被摄物体反射的光线通过工业镜头折射后，会投射到相机的感光传感器上，这个感光传感器通常是电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）。下面主要探讨CCD传感器的原理及应用。

1、工业相机工作原理

图像采集：通过镜头收集被拍摄物体反射或透射的光线，将其聚焦在图像传感器上。

光电转换：图像传感器（常见的有 CCD 和 CMOS）将光信号转换为电信号。以 CMOS 传感器为例，每个像素点都有一个感光二极管，光线照射时产生与光强成正比的电荷，进而被转换为电压信号。

信号处理：转换后的电信号经过放大器进行放大，并通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，这些数字信号经过处理后形成数字图像数据，传输给计算机等设备进行后续分析。

CCD 是 Charge Coupled Device(电荷耦合元件)的缩写,是一种将图像转换为电信号的半导体元件。大小约为长宽各 1厘米左右,由类似棋盘的格状排列的小像素(pixel) 组成。

用相机拍摄时，拍摄对象发出的光通过镜头在CCD 上成像。光到达CCD 的某个像素时，将根据光的强度产生相应的电荷。将该电荷的大小读取为电信号，即可获得各像素上光的强度(浓度值)。

换言之,每个像素都是一个可以检测光强度的传感器(光电二极管)。所谓 200 万像素 CCD 就是一个由200万个光电二极管构成的集合体。

CCD成像原理

CCD 是数十万一数百万个传感器的集合体。使用 CCD 可以实现一个传感器所不能实现的多种检查/检测目的。

大部分图像传感器可以根据光强度将数据分为256 个等级(8位)。在基本的黑白处理中，黑色(纯黑色)的数值为“0”,白色(纯白色)的数值为“255”，其它处于两者之间的颜色则根据光强度转换成其它数值。

换言之,CCD 的每一个像素都有一个位于“0”(纯黑色)与“255”(纯白色)之间的数值。

例如，对于黑、白各占一半的灰色,其数值为“127”。

CCD 的图像数据是构成CCD的各像素的数据的集合。像素数据用256 级浓淡数据加以表示。

如上图所示,图像数据的每一个像素都可以用0~255中的某一个数值加以表示，所谓图像处理是指对于各个像素，按照下例中所示的计算公式进行计算，然后找到图像上有特征的地方。

例1:损伤/欠缺检查

将检测区域分为多个分割(数像素角)，计算各分割的平均浓度(0~255)，然后加以比较。浓度值超过一定值的区域被视为有损伤或欠缺。

2、CCD四种类型

（1）Interline transfer

CCD 曝光后所产生的电荷都被转移到附近的移位寄存器，通过垂直传送向下转移到底部，按一定排序输出，它的优点在于曝光后即可将电荷储存在寄存器，继续拍照速度较快，感光和传输不在同一列，从而避免了两者之间的冲突。

（2）Full frame

阵列的每一个像素都感光。传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，串行寄存器向阵列的出口转移。是一种架构更简单的感光设计。鉴于Interline的缺点，Full Frame可以利用整个感光区 域(没有寄存区的设计)，有效的增大感光面积，同时也适应长时间曝光。

（3）Frame transfer

Frame transfer的架构介于Interline和 Full Frame之间，它分成上下两个部分，下半部是感光区，上半部是暂存区。整体来说Full Transfer 非常类似Full Frame，它的特点在于直接规划一个大型寄存区。一旦CCD工作，它可以迅速将电荷转移到下方的寄存区中，本身可以继续曝光。这种设计让Full Transfer同Interline一样可使用电子快门，同时也增加了感光面积和速度，兼顾动、静态的拍摄能力。

（4）Line线阵

Line线阵CCD是以一维感光点构成，利用目标物与相机之间的相对运动来扫描图像。由于照片是一行行组成，速度比使用2维CCD(面阵)的相机慢。

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