機器視覺鋁箔針孔檢測的圖像傳感器選擇分析
來源：elblogdealma.com2014年11月21日熱度：788
在機器視覺系統中攝像機的作用是將通過鏡頭聚焦于像平面的光線生成圖像，其中最重要的組成部件是數字傳感器。目前常用的就是CCD傳感器和CMOS傳感器。下面看看兩種傳感器的特點并比較它們之間的優缺點，選出最適合鋁箔針孔在線檢測的傳感器。
一、CCD傳感器
CCD，英文全稱是 Charge Coupled Device ，即電荷耦合器件，它由一行光線敏感的光電探測器組成，光電探測器一般為光柵晶體管或光電二極管。其工作原理為曝光時光電探測器累計電荷，通過轉移門電路，電荷被移至串行讀出寄存器從而讀出。CCD的每個光電探測器都是和一個串行讀出寄存器一一對應，我們需要用金屬護罩阻止其它干擾光子照射到具有光敏特性的串行讀出寄存器上。工作過程為：電荷轉換單元把接受到的電荷轉為電壓，再將其放大，最后轉換成模擬或數字視頻信號。
CCD從結構上可以分為線陣CCD傳感器和面陣CCD傳感器。線陣CCD傳感器只能生成高度為1行的圖像，為得到有效圖像，線陣CCD傳感器必須作相對于被測物體的運動：一種方法是將傳感器安置在運動的被測物（如傳送帶）上方，第二種是被測物不動而傳感器相對被測物運動。這說明了線陣CCD不能直接把二維圖像轉換為我們所需要的視頻信號，是因為它只能接受一維光信號，我們必須通過掃描的方法來得到整個二維圖像的所有視頻信息。面陣CCD傳感器從結構上分為全幀轉移型面陣傳感器、幀轉移型面陣傳感器、隔列轉移型傳感器三種。全幀轉移型面陣傳感器是光在光電探測器中轉換為電荷，一行一行地轉移到串行讀出寄存器，然后進行電荷轉換和放大讀出，在讀出過程中，光電傳感器還處于曝光狀態，仍有電荷累積，由于上面的像素要經過下面的像素移位移出，所以會出現拖影現象，這是全幀轉移型面陣傳感器的最大缺點，其最大的優點是填充因子可達100％。幀轉移型面陣傳感器是全幀轉移型傳感器加上另外的覆蓋有金屬光屏蔽層的傳感器用于存儲，這種傳感器的最大優點是其填充因子可達100％，而且不需要機械快門或閃光燈，缺點是其通常由兩個傳感器組成因此成本高。隔列轉移型傳感器是由光電探測器與一個帶有不透明的金屬屏蔽的垂直轉移寄存器組成，其工作原理是圖像曝光后，累積到的電荷通過傳輸門電路轉移到垂直傳輸寄存器中，再移至串行讀出寄存器，然后讀出形成視頻信號，其最大缺點是由于其傳輸寄存器需要在傳感器上占用空間，所以它的填充因子可能低至20％，圖像失真會增加，常利用在傳感器上加上微鏡頭來使光聚焦至光敏光電二極管，然而即使這樣也不可能使其填充因子達到100％。
二、CMOS傳感器
CMOS，英文全稱是Complementary Metal-Oxide Semiconductor，即互補性氧化金屬半導體，通常采用光電二極管作為光電探測器，與CCD傳感器不同，光電二極管中的電荷不是順序地轉移到讀出寄存器，CMOS傳感器的每一行都可以通過行和列選擇電路直接選擇并讀出，這方面CMOS傳感器可以當隨機存取存儲器。按像素結構分為被動式與主動式兩種。被動式像素結構，又叫無源式，它由被反向偏執的光敏二極管以及MOS開關管兩個元件構成。光敏管本質上是一個由P型半導體和N型半導體組成的PN結，它等效為被方向偏置的二極管并聯上一個MOS管型電容組成。當開關管開啟時，該光敏管和垂直布局的列線相連接，由該列線末端的電荷型積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數，當光敏二極管存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復位到與列線電壓相同的值，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷型積分放大器轉換為電荷輸出。主動式像素結構,又叫有源式，這種傳感器中的每個像素都有一個自己的獨立放大器，主動式像素結構有助于改善像素的性能，但是集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效面積，降低了“封裝密度”，使40%～50%的入射光被反射。另外被動式像素結構的電荷填充因數通常可達到70%，因此量子效率高。但光電二極管積累的電荷通常很小，很易受到雜波干擾。再說像素內部又沒有信號放大器，只依賴垂直總線終端放大器，因而讀出的信號雜波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素雜波大小不一樣（固定圖形噪波FPN）而影響整個圖像的質量。而主動性像素結構與被動式相比，它在每個像素處增加了一個放大器，可以將光電二極管積累的電荷轉換成電壓進行放大，大大提高了S/N比，從而提高了傳輸過程中抗干擾的能力。但由于放大器占據了過多的像素面積，因而它的填充因數相對較低，一般在25%～35%之間。此會采用微鏡頭來增加填充因子和減少圖像失真。由于PPS信噪比低、成像質量差，所以APS結構應于絕大多數CMOS傳感器。
三、CCD傳感器與CMOS傳感器性能的比較
由于構造上的差異，造成了CCD和CMOS的性能也不大一樣。CMOS的制作過程需要在整合每個像素資料之前先行放大，但是不會設計專屬通道，這樣就比較簡單；而CCD與CMOS不一樣的是它需經過專屬通道設計，這是為了充分保持信號在傳輸過程中不會發生失真現象，為了保持資料的完整性，CCD需要透過每一個像素集合至單一放大器上再做統一處理。總的來說，成像效果是最能反映CCD與CMOS設計應用的不同。下面比較一下CCD傳感器和CMOS傳感器在解析度、ISO的感光度、耗電量、噪聲以及制造成本等方面的差異：
1、解析度差異：在ISO感光度中知道，由于CMOS每個像素的結構比CCD復雜，其感光開口不及CCD大，在相同尺寸下，CCD感光器的解析度通常會優于CMOS。不過，如果不考慮尺寸的限制，從量率上的角度來看，由于CMOS在這方面的優勢，使其成為克服尺度較大的感光原件制造方面的優先選擇。
2、ISO的感光度差異：在CMOS感光傳感器中，由于放大器與模數轉換電路存在于每個像素中，而過多的這樣的設備占用了本來就小的感光區域的面積，因此在像素相同的情況下，對于尺寸相同的感光器，在感光度方面，CMOS型傳感器不比CCD型傳感器。
3、噪點差異：在CMOS傳感器型的任何一個感光二極體的旁邊都要配置A/D轉換器的放大器，假設像素以百萬來計算，那么需要A/D轉換器中放大器的數目就在百萬個以上。即是產品是統一制造出的，但是每個運算放大器都會存在或多或少的差異，達到同步的放大效果幾乎是不可能的，因此相對于CCD型來說，CMOS型的傳感器的噪點就要多一些。
4、耗電量差異：CMOS傳感器的影像型電荷驅動方式被稱為主動式，電晶體管直接放大由感光型二極體產生的電荷，然后進行輸出；但CCD型的為被動式結構，任何像素中的電荷如果要移到傳輸通道，必須要通過外加高達12V以上的電壓來操作。因此相對于CMOS型，CCD還需要更精密的外加電源的設計以及耐壓方面的強度。而且高的驅動電壓導致CCD的電量也要高于CMOS。
5、成本差異：CMOS應用在半導體工業常用的MOS 制程，可以整合所有的周邊設施在單晶片中，節省了處理晶片所需的成本和產量的損失；相對地電荷耦合器件采用電荷轉移方式輸出信息，必須另辟傳輸通道，如果該通道中有一個像素發生故障，將導致一整排的信號擁塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加ADC等周邊，CCD的制造成本相對高于CMOS。
6、靈敏度差異：CCD傳感器的靈敏度高于CMOS傳感器。是因為CMOS傳感器上面的每個像素都是由一個感光二極管和四個晶體管（包括放大器與A/D轉換電路），使得像素本身的表面積遠遠大于每個像素的感光區域，因此在像素尺寸完全一樣的情況下，CCD的靈敏度更高一些。
7、分辨率差異：由于CMOS傳感器的每個像素都要比CCD傳感器要復雜得多，且像素尺寸很難達到CCD傳感器的水平，所以當我們比較相同尺寸的CMOS和CCD傳感器時，通常來說CCD傳感器的分辨率都會由于CMOS傳感器。例如，目前市面上Sony推出的一款ICX452，它的尺寸與OV2610相差不多，但是分辨率卻高達513萬像素，像素尺寸只有2.78μm的水平。CMOS傳感器高達210萬像素的的OV2610，其尺寸為1/2英寸，像素尺寸為4.25μm。
表1 CCD和CMOS的性能對比
|
性能參數 |
CCD |
CMOS |
|
靈敏度 |
優 |
良 |
|
噪聲 |
優 |
良 |
|
光暈 |
有 |
無 |
|
電源 |
多電極 |
單一電極 |
|
集成程度 |
低 |
高 |
|
功耗 |
高 |
低 |
|
電路結構 |
復雜 |
簡單 |
|
抗輻射 |
弱 |
強 |
|
動態范圍 |
大于70dB |
大于70dB |
|
傳感器體積 |
大 |
小 |
|
彩色編碼 |
片外 |
片內 |
|
ADC模塊 |
片外 |
片內 |
|
時許及控制電路 |
片外 |
片內 |
|
自動增益控制 |
片外 |
片內 |
綜合來看，CCD具有成像像素高、清晰度高、色彩還原系數高、靈敏度高、成像質量高的特點，但是CCD的成本高、功耗大、系統集成度差、數據讀取速率慢的缺陷。一般來說CCD應用于對圖像質量要求高、低照度的環境中，而CMOS圖像傳感器應用于對圖像質量要求一般、成本要求低的場合。
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