工业相机技术基础 _传感器和像素尺寸
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工业相机技术基础 _传感器和像素尺寸

施努卡苏州智能装备有限公司 2021-01-06 9035 0


CCD和CMOS传感器的传感器和像素大小

CCD和CMOS传感器己经发展到可以生产越来越精细的半导体结构。通常,传感器和像素尺寸会缩小,以便从一个晶圆中切割出越来越多的传感器。因为在优化电子设备的噪声性能的同时,像素的灵敏度也越来越高。

由于在这方面也达到了技术极限,因此具有相同分辨率的传感器和像素尺寸的相机成了选择的重点,尤其是在...

  1. 几乎没有光

  2. 需要具有高动态图像响应的低噪声图像

  3. 应该进行精确测量

在几乎所有情况下,像素较大的传感器在技术上会比较领先,不过价格也比较高。

标准相机的传感器尺寸

传统的机器视觉相机具有不同的大型传感器,具体取决于所使用的相机和分辨率。大多数带有较小传感器的摄像机都与所谓的C型安装光学组件或CS型安装光学组件一起使用。C型安装螺纹的实际直径为1英寸(即25.4毫米),螺距为1/32英寸。

标准相机中使用的传感器明显较小,对角线范围为4至16 mm。这些传感器的尺寸也以英寸表示。1英寸传感器的对角线为16毫米。

工业相机的典型传感器尺寸

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CCD和CMOS传感器的英寸数据只有一个历史性的解释:电视摄象机的拾音管一直使用到1980年代中期,并且长期优于1960年代后期发明的CCD或CMOS传感器。

管式摄像机的实际图像转换器位于玻璃真空管中,并且根据玻璃灯泡的外径对不同的拾取管进行分类。管内的光敏表面的对角线当然更小,大约占外径的三分之二。用来替代阴极射线管的等效CCD传感器必须恰好覆盖该表面。因此,将其光敏表面对应于1/2英寸管的CCD称为1/2英寸传感器,即使它不对应于实际CCD传感器的尺寸。

在分辨率为640 x 480像素的情况下,工业相机通常使用1/3“传感器,而在1280 x 1024像素的相机中,分辨率通常为1/2”。1600 x 1200像素的颇受欢迎的相机分辨率通常使用1 / 1.8“更大的传感器,且像素大小相同。

通常大众相机市场上传感器越来越小。如果在某些情况下,标准VGA传感器在1980年代后期的尺寸为2/3英寸,那么今天的尺寸仅为1/3英寸。这也是生产工艺增强的结果,生产工艺具有相似性能的较小的光敏表面。它使制造商可以用低价格的晶片生产大量传感器。例如,一个1/3“传感器仅具有1/2”传感器表面的40%,因此更便宜。

重要提示:如果您可以在同一相机版本的较大和较小传感器之间进行选择,请在以下情况下选择较大的传感器:

  1. 例如,进行精确的测量,或者进行最佳的表面检查,同时尽量减少相机的噪音,从而使结果失真。

  2. 在较短的曝光时间内计划对光有严格要求的快速应用。

  3. 使用彩色摄像头,该彩色摄像头可能会替代单色摄像头,并且如果只有很少的光线可用,因为它们需要的光要比同类的单色传感器多3-4倍。

大型尺寸的区域扫描相机或线扫描相机的传感器

在高分辨率区域扫描或线扫描相机的情况下,使用尺寸为几厘米的明显较大的传感器。这些传感器的尺寸通常不是标准化的,并且是由传感器的分辨率和像素大小决定的。具有2048个像素且像素尺寸为10μm的线扫描相机的线长为10.48 mm,如果像素尺寸为14μm,则传感器的长度已经为28.6 mm。从20mm传感器对角线开始,就不能再使用C卡口镜头连接了。

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这些相机通常使用尼康卡口(F卡口)或M42至M72作为镜头连接。只有这样,才能使用具有大像素的高分辨率传感器来构建最大12,000像素的线扫描相机或最大2800万像素的面扫描相机。

CCD或CMOS传感器的像素大小

由于传感器的小型化,像素尺寸越来越小。如今,消费类相机的传感器(8到12兆像素,200欧元)的像素大小大多为1.7μm,因此每个像素的光有效表面只有约3μm2。在非最佳照明条件下,这会导致极强的传感器噪声。

分辨率从VGA到2百万像素的机器视觉相机(C型安装)通常具有4.6至6.5μm的像素,其光敏表面大10到15倍,因此信号效果明显更好。如果您需要无噪点的图像和精确的测量结果,只能选择更贵的相机以达到更大的传感器像素。

工业相机的典型像素大小

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线扫描相机中优先使用边缘长度为14或10μm的像素。例如,由于18 Hz的高行频,一条捕获的图像行的最大曝光时间为1000/18000 = 55μs。

像素的全孔容量

本规范描述了一个像素元素在完全饱和之前可以容纳多少个电子。5.5μm结构尺寸的像素可以累积大约20,000电子,7.4μm像素可以累积40,000电子。

全阱容量越大,最大信噪比越好。像素尺寸为1.7μm的消费类相机仅需要约1,000个光子即可实现像素饱和。在使用8位,10位甚至12位进行数字化的情况下,其他噪声效应(光子噪声,数字化噪声,暗噪声)可能已经具有相当大的比例,会干扰信号,从而以极其负面的方式影响图像。

对机器视觉很重要

  1. 像素越小,捕获图像所需的光越多。在检查时间短的情况下,光不足的事实很容易成为问题。

  2. 在光线少的情况下,小像素比大像素提供清晰的噪点图像,动态图像响应会降低。噪声干扰了应用。请使用明亮的照明或 LED闪光灯控制器,以获取更多的光线!

  3. 不是百万像素就一定有作用。小像素结构需要高质量的光学成像,即高分辨率镜头。否则,将创建具有许多像素的模糊图像,但没有真实的结构细节。

  4. 此外,随着景深的显着减小,小的摄像机像素还需要对传感器进行极为精确的机械对准。外壳中5μm传感器的倾斜度只能是结构尺寸为10μm的像素的一半(在孔径= 2.8时为+ / 1 15μm)。


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