1工业相机原理及选型指导
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- 17 -
二、CCD&CMOS相机
CCD与CMOS的光电转换示意图
光子
CCD sensor 电子
放大 A/D 电压 数字信号
CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤 由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的
电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的
- 18 -
二、CCD&CMOS相机
-7-
二、CCD&CMOS相机 CCD的概念
CCD
Charged Coupled Device: 电荷耦合器 大量的独立的光敏元件排列在一起 每个光敏元件称为像素
像素
图像的基本单位：最小的视觉显示单位.
-8-
二、CCD&CMOS相机 CCD结构及工作原理
实物
光子
电荷
模拟量（电压） 数字量
红外wk.baidu.com紫外
-3-
CCD &CCD相机
-4-
相机芯片
有不同大小的芯片
-5-
二、CCD&CMOS相机
?
实物
图像
如何准确地描述一幅图像
图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽 量真实地反映到虚拟的图像上
-6-
二、CCD&CMOS相机
感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应 的灰度填充。
三、CCD相机相关参数、概念
成像方式 CCD大小 信噪比 信号制式 快门速度 图像像素 最低照度 同步系统
增益 局部扫描 读出模式 触发快门
- 24 -
三、CCD相机相关参数、概念
成像方式
Progressive Scan 逐行扫描 Interlance Scan 隔行扫描
- 25 -
三、CCD相机相关参数、概念
快速-暴光和数据读出可同时进行 可采用软件控制的电子快门工作
动态范围小
- 12 -
二、CCD&CMOS相机
CCD种类—传输方式
全帧（Full Frame） -感光元件产生电信号 -电荷转移到串行寄存器 -放大、数摸转换、数字信息
动态范围宽 信噪比高 分辨率高
成像速度慢 必须借助机械快门控制暴光量
CCD V.S. CMOS
- 19 -
二、CCD&CMOS相机
CCD与CMOS比较
1. 由于上面所说的结构，CCD的电路更改就更方便。 而由于CMOS的过分集成，电路更改就不方便。但可靠性高。 CMOS功耗小。
2. CMOS躁声大。 3. CMOS灵敏度差。 4. CMOS速度快。由结构决定。 5. 成本CMOS便宜一些。
CCD数字化
数字化（Digitization）-模拟信号转换成数字信号 • 计算机运用2进制运算法则来将CCD采集的电信号转换成数
字信号 • 12bit=4096；14bit=16384；16bit=65536 • 应用软件将运用一定的运算法则来决定最适合显示器灰度级
别的数据
- 15 -
二、CCD&CMOS相机
- 20 -
二、CCD&CMOS相机
从以上的对比可以看出： CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高 速摄像头则会采用CMOS芯片。
- 21 -
二、CCD&CMOS相机
CCD芯片的工作方式要经历的过程： A 、 光电转换， B 、电荷储存， C 、电荷转移， D 、信号放大
- 22 -
二、CCD&CMOS相机
图像
-9-
二、CCD&CMOS相机
CCD结构及工作原理
CCD结构 感光二极管（Photodiode） 并行信号寄存器（Shift Register） -用于暂时储存感光后产生的电荷 串行信号寄存器（Transfer Register） -用于暂时储存并行积存器的模拟信 号并将电荷转移放大 信号放大器-用于放大微弱电信号 数摸转换器-将放大的电信号转换 成数字信号
相机（光电转换器，完成信号转换）
C
C
A/D
D
种类：线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOS 指标：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感应曲线、动态范围、灵敏度、
速度、噪声、填充因子、体积、质量、工作环境等
工作模式：Free run、Trigger（多种）、长时间曝光等
- 23 -
- 10 -
二、CCD&CMOS相机 CCD结构及工作原理
CCD工作原理
- 11 -
二、CCD&CMOS相机
CCD种类—传输方式
隔行传输式（Interline Transfer） -感光元件产生电信号 -电荷转移到并行寄存器 -电荷从并行寄存器转移到串行寄存器 -串行寄存器将电信号转到模拟寄存器 -放大、数摸转换、数字信息
CCD像素合并
像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷进
行合并并当作一个单一的像素输 出信号 -提高灵敏度（2x2bin提高4倍 灵敏度） -降低分辨率（2x2bin降低一半 的分辨率）
- 16 -
二、CCD&CMOS相机
CMOS
互补金属氧化物半导体（CMOS， Complementary Metal Oxide Semiconductor） -核心元件：感光二极管 （Photodiode） -同一像点当中包含放大器和数模 转换电路（一个感光二极管和三 颗晶体管） -开口率底（开口率：有效感光区 与整个感光元件面积比值） -灵敏度底、噪声明显 -数模转换无法保证严格一致
工业相机介绍
-1-
工业相机分类
-2-
一、工业相机分类
按芯片类型 CCD相机
CMOS相机
按传感器结构特征 线阵相机
面阵相机
按扫描方式 隔行扫描
逐行扫描
按分辨率大小 按输出信号
普通分辨率
高分辨率
큰 항목의 제목 입력
模拟相机
数字相机
按输出色彩 黑白相机
彩色相机
按输出数据速度 普通速度相机
高速相机
按响应频率范围 可见光（普通）
- 13 -
二、CCD&CMOS相机
CCD种类—传输方式
全转（Full Fransfer） -综合Full Frame和Interline Transfer特点，在器件上划分感光 区和寄存区 -暴光和数据转移可以同时进行 保证单位像素上的感光面积 保证了拍摄速度
- 14 -
二、CCD&CMOS相机
Vertical ccd register
Vertical ccd register
成像方式
Xsub Shutter
隔行/逐行
Xsg1 Xsg2
Odd Even Photo diode (pixel)
Xsub Shutter
二、CCD&CMOS相机
CCD与CMOS的光电转换示意图
光子
CCD sensor 电子
放大 A/D 电压 数字信号
CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤 由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的
电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的
- 18 -
二、CCD&CMOS相机
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二、CCD&CMOS相机 CCD的概念
CCD
Charged Coupled Device: 电荷耦合器 大量的独立的光敏元件排列在一起 每个光敏元件称为像素
像素
图像的基本单位：最小的视觉显示单位.
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二、CCD&CMOS相机 CCD结构及工作原理
实物
光子
电荷
模拟量（电压） 数字量
红外wk.baidu.com紫外
-3-
CCD &CCD相机
-4-
相机芯片
有不同大小的芯片
-5-
二、CCD&CMOS相机
?
实物
图像
如何准确地描述一幅图像
图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽 量真实地反映到虚拟的图像上
-6-
二、CCD&CMOS相机
感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应 的灰度填充。
三、CCD相机相关参数、概念
成像方式 CCD大小 信噪比 信号制式 快门速度 图像像素 最低照度 同步系统
增益 局部扫描 读出模式 触发快门
- 24 -
三、CCD相机相关参数、概念
成像方式
Progressive Scan 逐行扫描 Interlance Scan 隔行扫描
- 25 -
三、CCD相机相关参数、概念
快速-暴光和数据读出可同时进行 可采用软件控制的电子快门工作
动态范围小
- 12 -
二、CCD&CMOS相机
CCD种类—传输方式
全帧（Full Frame） -感光元件产生电信号 -电荷转移到串行寄存器 -放大、数摸转换、数字信息
动态范围宽 信噪比高 分辨率高
成像速度慢 必须借助机械快门控制暴光量
CCD V.S. CMOS
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二、CCD&CMOS相机
CCD与CMOS比较
1. 由于上面所说的结构，CCD的电路更改就更方便。 而由于CMOS的过分集成，电路更改就不方便。但可靠性高。 CMOS功耗小。
2. CMOS躁声大。 3. CMOS灵敏度差。 4. CMOS速度快。由结构决定。 5. 成本CMOS便宜一些。
CCD数字化
数字化（Digitization）-模拟信号转换成数字信号 • 计算机运用2进制运算法则来将CCD采集的电信号转换成数
字信号 • 12bit=4096；14bit=16384；16bit=65536 • 应用软件将运用一定的运算法则来决定最适合显示器灰度级
别的数据
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二、CCD&CMOS相机
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二、CCD&CMOS相机
从以上的对比可以看出： CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高 速摄像头则会采用CMOS芯片。
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二、CCD&CMOS相机
CCD芯片的工作方式要经历的过程： A 、 光电转换， B 、电荷储存， C 、电荷转移， D 、信号放大
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二、CCD&CMOS相机
图像
-9-
二、CCD&CMOS相机
CCD结构及工作原理
CCD结构 感光二极管（Photodiode） 并行信号寄存器（Shift Register） -用于暂时储存感光后产生的电荷 串行信号寄存器（Transfer Register） -用于暂时储存并行积存器的模拟信 号并将电荷转移放大 信号放大器-用于放大微弱电信号 数摸转换器-将放大的电信号转换 成数字信号
相机（光电转换器，完成信号转换）
C
C
A/D
D
种类：线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOS 指标：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感应曲线、动态范围、灵敏度、
速度、噪声、填充因子、体积、质量、工作环境等
工作模式：Free run、Trigger（多种）、长时间曝光等
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二、CCD&CMOS相机 CCD结构及工作原理
CCD工作原理
- 11 -
二、CCD&CMOS相机
CCD种类—传输方式
隔行传输式（Interline Transfer） -感光元件产生电信号 -电荷转移到并行寄存器 -电荷从并行寄存器转移到串行寄存器 -串行寄存器将电信号转到模拟寄存器 -放大、数摸转换、数字信息
CCD像素合并
像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷进
行合并并当作一个单一的像素输 出信号 -提高灵敏度（2x2bin提高4倍 灵敏度） -降低分辨率（2x2bin降低一半 的分辨率）
- 16 -
二、CCD&CMOS相机
CMOS
互补金属氧化物半导体（CMOS， Complementary Metal Oxide Semiconductor） -核心元件：感光二极管 （Photodiode） -同一像点当中包含放大器和数模 转换电路（一个感光二极管和三 颗晶体管） -开口率底（开口率：有效感光区 与整个感光元件面积比值） -灵敏度底、噪声明显 -数模转换无法保证严格一致
工业相机介绍
-1-
工业相机分类
-2-
一、工业相机分类
按芯片类型 CCD相机
CMOS相机
按传感器结构特征 线阵相机
面阵相机
按扫描方式 隔行扫描
逐行扫描
按分辨率大小 按输出信号
普通分辨率
高分辨率
큰 항목의 제목 입력
模拟相机
数字相机
按输出色彩 黑白相机
彩色相机
按输出数据速度 普通速度相机
高速相机
按响应频率范围 可见光（普通）
- 13 -
二、CCD&CMOS相机
CCD种类—传输方式
全转（Full Fransfer） -综合Full Frame和Interline Transfer特点，在器件上划分感光 区和寄存区 -暴光和数据转移可以同时进行 保证单位像素上的感光面积 保证了拍摄速度
- 14 -
二、CCD&CMOS相机
Vertical ccd register
Vertical ccd register
成像方式
Xsub Shutter
隔行/逐行
Xsg1 Xsg2
Odd Even Photo diode (pixel)
Xsub Shutter