1_工业相机原理及选型指导解析

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。
三、CCD相机相关参数、概念
成像方式 快门速度 增益
CCD大小 图像像素 局部扫描
信噪比 最低照度 读出模式
信号制式 同步系统 触发快门
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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
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三、CCD相机相关参数、概念
Progressive 逐行
隔行
Moving object
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三、CCD相机相关参数、概念
CCD信号制式

彩色CCD制式：



NTSC(美国国家电视系统委员会制式) H 59.94Hz / V15.734Hz V:H为4:3 应用在美 国和日本 PAL(相位逐行交变制式) H50Hz / V15.625Hz 应用在欧洲和中国
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三、CCD相机相关参数、概念
图像分辨率



图像分辨率： 一般的，假定算法的精度是一个像素，需要检测的某个方向的尺寸为 X，希望检测的精度为△X，那么我们需要的分辨率就是： X / △X 如，检测一个长度约为10mm的工件，精度为0.01mm，则图像需要 10/0.01＝1000像素
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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


对于选择线扫描相机，水平方向的分辨率计算如上。垂直方向的分辨 率 = 扫描速度/行频。 扫描速度 ： 被测物体每秒钟在垂直方向上移动的距离。
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三、CCD相机相关参数、概念
最低照度
最低照度是测量摄像机感光度的一种方法，换句话说， 摄像机在多黑的条件下能看到可用的影像。
当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时的 景物光亮度值。
成像方式
Xsub Shutter Vertical ccd register Horizontal ccd register
Interlace
隔行/逐行
Xsg1 Xsg2 Odd Even Photo diode (pixel) Xsub Shutter Vertical ccd register Horizontal ccd register Photo diode (pixel) Video out Xsg1
高分辨率
数字相机 彩色相机 高速相机 红外、紫外
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CCD &CCD相机
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相机芯片

有不同大小的芯片
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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
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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。
CS Mount
F Mount K Mount
12.5mm
46.5mm 45.5mm
25.4mm 32tpi thread
卡口 卡口
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三、CCD相机相关参数、概念
相机数据接口
相机采集的数据及参数输出到外部的接口。
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三、CCD相机相关参数、概念
相机数据接口
除以上常用接口外，常见的还有模拟相机用的BNC （Video）接口和12PIN口。

相机（光电转换器，完成信号转换）
C C D
A/D
Βιβλιοθήκη Baidu

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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三、CCD相机相关参数、概念
CCD芯片尺寸

特殊之处：1inch = 16mm ≠25.4mm
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三、CCD相机相关参数、概念
CCD芯片尺寸 相机芯片尺寸 镜头尺寸≧相机芯片尺寸
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三、CCD相机相关参数、概念
快门速度 快门速度就是用来控制曝光时间的装置，一 般而言，快门速度跨越的时间范围越大越好 如:1/30~1/16,000 10 steps 1/15~1/8,000 10 steps
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
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二、CCD&CMOS相机
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
黑白CCD制式：

EIA(RS170) 30帧/s 60场 H15.75Hz 在美国及日本通用 CCIR 25帧/s 50场 H15.625Hz 在欧洲及中国通用
从分辨率上看，CCIR对应于PAL，EIA对应于NTSC。
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三、CCD相机相关参数、概念
CCD信号制式
从分辨率上看，CCIR对应于PAL，EIA对应于NTSC。
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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
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二、CCD&CMOS相机
CCD种类—传输方式
图像
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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
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二、CCD&CMOS相机
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）
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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
普通型 日光型 星光型 红外型
正常工作所需照度 1~3Lux 正常工作所需照度 0.1Lux 正常工作所需照度 0.01Lux 采用红外照明，没有光线也可成像
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三、CCD相机相关参数、概念
相机镜头接口类型
接口类型 C Mount
后截距 17.526mm
螺纹尺寸 25.4mm 32tpi thread
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二、CCD&CMOS相机
CCD与CMOS的光电转换示意图
CCD sensor 光子 电子
放大 电压
A/D 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
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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
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三、CCD相机相关参数、概念
图像像素 图像像素 TV格式 752 x 486 38万像素 VGA 640 x 480 33万像素 SVGA 800 x 600 48万像素 XGA 1024 x 768 80万像素 SXGA 1280 x 1024 130万像素 UXGA 1600 x 1200 200万像素
工业相机介绍
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工业相机分类
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一、工业相机分类
按芯片类型
CCD相机
CMOS相机 面阵相机 逐行扫描
按传感器结构特征 线阵相机 按扫描方式 隔行扫描
按分辨率大小
按输出信号 按输出色彩 按输出数据速度 按响应频率范围
普通分辨率
模拟相机 黑白相机 普通速度相机 可见光（普通）
큰 항목의 제목 입력


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二、CCD&CMOS相机 CCD结构及工作原理
CCD工作原理
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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 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