浅谈机器视觉传感器

发布者:Ziyu2022最新更新时间:2014-12-30 来源: newmaker关键字:机器视觉  传感器  相机 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
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。

交互作用决定取舍

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。然而,不是所有的应用都需要精细的图像。因此,设计师们设计了不同动态范围的传感器供选择。例如,邮包分拣或电子生产检查,8位的动态范围就可以有效地工作。但是,医疗和空中侦察就需要14位的动态范围。

应用需求还对传感器的第二项特征速度提出了要求。速度是比动态范围更直观的特征,它只是衡量传感器采集和传送图像到系统的速度有多快。传感器的速度也包括两个方面:一个是帧频,也就是传感器传送像素数据到系统所需要的时间。另外就是传感器为了采集一幅有用的图像所需的曝光时间。帧频永远都不会比曝光时间快,因此帧频是用来说明传感器性能的通用量值。

在加工检查类的应用中,传感器的速度决定系统的输出。如果每一幅图像代表待检的一个零件,那么系统每秒能够检查的零件数量不会高于传感器每秒能够发送的帧数。当成像的物体处于运动状态时,为防止出现图像模糊,必须要求高的采集速度。因此对于高输出量的检测系统和对高速运动物体的成像应用需要高速的传感器。

速度和动态范围是相互关联的,为了快速地传送图像,传感器必须快速地对每一个像素的数据进行数字化。这就意味着模拟到数字转换器需要快速地形成一个稳定的输出。

从物理层面和设计角度上讲,速度应该让步于动态范围。电路运行的速度越快,产生的热量就越多。传感器的暗电流噪音随着温度的增加而增加,因此传感器的速度越高,其噪音就越大,动态范围就越低。高速的传感器比低速的传感器的噪音更大,而且能提供的动态范围更低。

传感器的速度与其第三项特征响应度也是相关联的。应用中所需的帧频越高,用于曝光的时间就越少。为了减少曝光时间,设计师需要增加光照的亮度,如果不增加亮度,就只能选择高响应度的传感器。

响应度是指在给定的曝光条件下,所产生的信号的强度(V)。在图像传感器中,有三个因素控制响应度:第一是量子的效率,或者说是每个光子所产生的电子的数量。第二个要素是存储电荷(q)的传感器输出电路的电容(C)的大小,电荷的信号电压公式是V=q/C。第三个要素是传感器的输出放大器增益。如果传感器在与噪音等量的曝光水平下运行时,增益本身并不能提高传感器的响应度。

开发人员在为他们的机器视觉系统选购传感器时,必须在动态范围,速度和响应度这三个关键要素之间做出取舍。高速度和低光照度将导致噪音增加并降低动态范围。在动态范围允许的情况下,对成像细节的高要求也需要提高光照强度以弥补较低的响应度。传感器本身所具有的物理属性,不可避免地要在这三项关键要素之间做出平衡。

以上提到的三项关键要素并不是构成传感器选择的唯一考量,另外还有两项重要的因素:传感器的分辨率和像素间距,其中任何一项都能够影响图像的质量并且与上述三项关键要素相互作用。

分辨率是指由多少个像素构成一幅图像,它是反映传感器尺寸和像素间距的量值。应用所需要的传感器的分辨率决定于几项相关的要素:包括视野、工作距离、传感器大小和像素间距以及系统所要求的采集空间细节所需的像素的数量等。传感器的分辨率越高,其时钟必须运行的越快以获得需要的帧频。因此,传感器的分辨率对速度有非常大的影响。

像素间距定义单个像素区域的大小,与传感器的大小共同作用来决定传感器的分辨率。由于传感器通常只有有限的大小可选,所以像素的间距越小,其分辨率就越高。像素间距能够影响响应度,但是间距越小,每个像素能够采集光子的活动区域就越小。

最终,所有这些传感器的要素都要与相机的其它部件相互影响。相机镜头的分辨率是通过调制解调函数(MTF)来衡量的,例如,镜头的分辨率必须与传感器的像素间距相匹配才能获得理想的成像质量。在传感器分辨率允许的范围内,一个5微米 MTF的镜头在3微米的像素间距的传感器上所成的黑白线模式只能形成灰色的图像。因此,在选购传感器时必须采购与之匹配的其它系统部件。

最重要的一点是要充分理解应用对传感器动态范围、速度和响应度的需求。需求决定哪些性能是在可接受的范围之内,最终决定系统的其它部件的要求。(end)
关键字:机器视觉  传感器  相机 引用地址:浅谈机器视觉传感器

上一篇:机器视觉的镜头选择创造不同
下一篇:供应如何清洗工业相机CCD?

推荐阅读最新更新时间:2024-05-02 23:24

LLC针对其可编程双线单极型 霍尔效应开关推出全新封装选项
美国马萨诸塞州伍斯特市 Allegro MicroSystems, LLC宣布针对其A119x/A119x-F(A1190、A1192和A1193)系列双线单极型霍尔开关产品推出全新封装选项,用户可以在生产线末端进行调整,从而针对应用优化磁性开关点的准确度。A119x和A119x-F采用Allegro公司先进的BiCMOS晶圆制造工艺生产,这项工艺采用了Allegro享有专利的高频4相斩波稳定技术,可以使器件在全工作温度范围内实现磁稳定性,并且消除了单霍尔元件构成的器件在应用于严苛环境下产生的固有偏差。采用新封装的器件不再需要外部电容和相关PCB,可缩小尺寸,减少组件数量,降低装配成本,并显著简化设计过程。A119x-F系列器件针
[电源管理]
LLC针对其可编程双线单极型 霍尔效应开关推出全新封装选项
发动机氧传感器故障诊断与维修方案
在电控汽油喷射发动机中,用于燃料系统闭环控制的氧传感器是一个重要的电子元件,用来监测废气中氧的含量,用电压信号反馈给ECU,以控制空燃比保持在14.7。同时,它又是多种故障信号的代言报警元件。   常见氧化锆传感器的故障为表面被铅化物或碳化物覆盖,导致气体不能渗透、氧离子不能扩散而失效。当故障灯报警,读取传感器故障后,有必要对其进行诊断,因为氧传感器报警不一定就是传感器有故障,其报警信号还受到下列因素的影响。   1.点火系工作状况;   2.进气系统密封性能;   3.排气系统是否堵塞;   4.喷油器的工作状况;   5.供油系统油压高低。   因此,在发动机维修中,一旦出现氧传感器报警信号,
[汽车电子]
Standex干簧传感器来助力!
洗碗机,相信买了的人都很后悔,后悔——买得太晚了!!! 吃完饭,把食物残渣简单处理下,所有碗盘都扔进洗碗机,一按按钮,该喝茶喝茶该聊天聊天,生活不能再美好了! 的确,洗碗机设计合理,将会节省很多电费,是一种很健康的洗碗方式,并且在杀菌与抑菌方面,机洗有传统手洗无可比拟的优势,同时也是一种年轻化、潮流化的趋势。 可有时候洗碗机也会出现洗不干净的情况,因为市面上大多数洗碗机都是利用高压喷淋的方式来洗碗的,想要把碗洗干净,餐具摆放首先要正确。而我们无法保证所有用户每次都能将餐具百分之百摆放正确,当摆放不正确时,挡住了喷淋臂的旋转,碗自然就洗不干净了。 那么问题来了,如何确保喷淋臂不被挡住呢?洗碗机生产厂家看过来,斯丹麦德有
[嵌入式]
Standex干簧<font color='red'>传感器</font>来助力!
荣耀20 Pro曝光 后置四摄或搭载P30同款传感器
荣耀20i正式发布,作为荣耀20系列的首款新品,该机凭借3200万像素AI自拍、高颜值的渐变色机身和给力价格,让不少消费者心动不已。但是对于部分网友而言,显然更关心荣耀20和网传的荣耀20 Pro。 荣耀20i   4月18日,疑似荣耀20 Pro渲染图在网上曝光。从这张渲染图来看,荣耀20 Pro后置四摄,其中一颗摄像头为方形,不出意外的话,就是最近炙手可热的潜望式摄像头。使用这种摄像头可以大大增加手机变焦倍数,但是相对的,可能会增加手机的厚度。如何平衡两者,就十分考验厂商对于手机内部空间的规划和设计能力了。 网传荣耀20 Pro渲染图(图取自微博)   除了后置四摄,根据之前的报道,荣耀20 Pro还有可能会使用华为
[手机便携]
ams OLED屏下光学传感器,消除可见显示失真,让画面更完美
高性能传感器解决方案供应商艾迈斯半导体(ams AG,瑞士股票交易所股票代码:AMS)今日推出业界首款将环境光感测、接近检测和光源闪烁检测功能集成于单个模块并针对智能手机的OLED屏下放置优化的光学传感器---TMD3719。 作为在手机行业光学传感器领域耕耘十多年的领先传感器供应商,艾迈斯半导体凭借其在光学传感器设计方面的技术创新和专业知识开发出TMD3719。这是首款攻克了OLED屏下环境光传感、接近传感和光源闪烁检测等重大技术挑战的器件,可助力实现突破性手机工业设计。 TMD3719提供了一个完整的“OLED屏下”(BOLED)光学传感解决方案,使智能手机制造商能够将通常放置于边框内的传感器移至OLED屏后,从
[传感器]
ams OLED屏下光学<font color='red'>传感器</font>,消除可见显示失真,让画面更完美
气体检测传感器及提供相应的信号调理器件
前言: 目前,工业生产安全,环境污染等问题倍受关注。所发生的事故中,有一类是由于有毒、易燃、易爆气体的泄漏所造成。因此,对于此类气体的检测,预警及其防范有其重要意义。越来越多的企业致力于有毒/有害气体的监测。本文将简要介绍气体检测传感器的类型,特点及ADI公司在此应用中所提供给的出色信号调理器件。 一、气体传感器的类型 传感器是气体检测设备的核心元件,按照其检测原理可分为:金属氧化物半导体式传感器、电化学式传感器、催化燃烧式传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等。 1 金属氧化物半导体式传感器 金属氧化物半导体式气体传感器是利用在一定温度下,被测气体的吸附作用,改变半导体的电导率,其变化率与气体成份,浓度相关。通过检
[测试测量]
气体检测<font color='red'>传感器</font>及提供相应的信号调理器件
LM1042性能特点及其集成液位传感器的工作原理
1、LM1042的性能特点 (1)适配两只热敏电阻 探头 测量液位。其中,探头1为主探头,探头2为辅助探头,它们所接的内部放大器电压增益分别为10.15倍,3.4倍,非线性误差依次为0%、0.2%(典型值)。热敏电阻可选镍钻铁合金电阻丝,亦可采用其他类型的热敏电阻丝,还可直接输入线性变化的被测信号。
[嵌入式]
PerSe™传感技术打造合规、高性能的智能手机设备
近几年,随着移动互联网的全面覆盖,中国的智能手机市场迎来了高速发展,移动支付、数字办公、智慧生活等应用领域使手机从单一的通讯工具演变为数字化生活的核心连接器。同时,面对消费者持续追求移动设备更快速、顺畅的互联体验, 5G技术在国内迅速推广, 截至2021年底,我国已经累计建成5G基站超142万站,覆盖所有地级市、98%的县区,预计2022年5G基站总数将超过200万个,由城市到村镇实现全面下沉。 同时,5G网络的普及促使智能手机市场对相关设备的产业资源倾斜,仅2022年1-2月,国内市场5G手机出货量实现3770万部,占同期手机出货量的78.7%。 5G手机消费市场饱满的活力,催生了消费者对影音娱乐、在线游戏、虚拟活动等线上应
[手机便携]
PerSe™传感技术打造合规、高性能的智能手机设备
小广播
最新嵌入式文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved