工业相机原理及选型指导资料ppt课件.ppt

- 1 -工业相机介绍工业相机介绍- 2 -工业相机分类相机分类- 3 -按芯片类型按芯片类型CCD相机CMOS相机按传感器结构特征按传感器结构特征 线阵相机面阵相机按扫描方式按扫描方式隔行扫描逐行扫描按分辨率大小按分辨率大小普通分辨率高分辨率按输出信号按输出信号模拟相机数字相机按输出色彩按输出色彩黑白相机彩色相机按输出数据速度按输出数据速度普通速度相机高速相机按响应频率范围按响应频率范围可见光（普通）红外、紫外 一、工业相机分类一、工业相机分类- 4 -CCD &CCD相机相机- 5 -相机芯片相机芯片l有不同大小的芯片- 6 -实物实物图像图像? 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 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 7 - 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。 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 8 - CCDCCDlCharged Coupled Device: 电荷耦合器l大量的独立的光敏元件排列在一起l每个光敏元件称为像素 像素像素l图像的基本单位：最小的视觉显示单位. 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 9 -实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 10 -l感光二极管（Photodiode）l并行信号寄存器（Shift Register） -用于暂时储存感光后产生的电荷l串行信号寄存器（Transfer Register）l-用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大l信号放大器-用于放大微弱电信号l数摸转换器-将放大的电信号转换 成数字信号 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 11 - 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 12 -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v快速-暴光和数据读出可同时进行v可采用软件控制的电子快门工作动态范围小 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 13 -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v动态范围宽v信噪比高v分辨率高成像速度慢必须借助机械快门控制暴光量 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 14 -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v保证单位像素上的感光面积v保证了拍摄速度 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 15 -数字化（数字化（Digitization）-模拟信号转换成数字信号模拟信号转换成数字信号 计算机运用计算机运用2进制运算法则来将进制运算法则来将CCD采集的电信号转换成数采集的电信号转换成数字信号字信号 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别的数据 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 16 -l像素合并（Binning）l -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l -提高灵敏度（2x2bin提高4倍灵敏度）l -降低分辨率（2x2bin降低一半的分辨率） 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 17 -l互补金属氧化物半导体（互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor） -核心元件：感光二极管核心元件：感光二极管（Photodiode） -同一像点当中包含放大器和数模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转换电路（一个感光二极管和三颗晶体管）颗晶体管） -开口率底（开口率：有效感光区开口率底（开口率：有效感光区与整个感光元件面积比值）与整个感光元件面积比值） -灵敏度底、噪声明显灵敏度底、噪声明显 -数模转换无法保证严格一致数模转换无法保证严格一致 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 18 -CCD sensor放大A/D光子电子电压数字信号CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与与CMOS的光电转换示意图的光电转换示意图由上面两图可看出由上面两图可看出：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 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 19 - 二、二、CCD&CMOS相机相机- 20 -CCD与与CMOS比较比较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。 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 21 -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。 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 22 -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 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 23 -l相机（光电转换器，完成信号转换）l 种类：线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOSl 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l 工作模式：Free run、Trigger（多种）、长时间曝光等 A/DCCD 二、二、CCD&CMOSCCD&CMOS相机相机- 24 -成像方式CCD大小信噪比信号制式图像像素最低照度同步系统快门速度局部扫描读出模式触发快门增益 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 25 -lProgressive Scan 逐行扫描lInterlance Scan 隔行扫描成像方式 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 26 -成像方式隔行隔行/逐行逐行Vertical ccd registerHorizontal ccd registerShutterOddEvenPhoto diode(pixel)XsubXsg1Xsg2Moving objectVideooutXsubVertical ccd registerHorizontal ccd registerShutterPhoto diode(pixel)Xsg1 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 27 -CCD信号制式从分辨率上看，CCIR对应于PAL，EIA对应于NTSC。l彩色CCD制式：lNTSC(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lPAL(相位逐行交变制式)H50Hz / V15.625Hz 应用在欧洲和中国l黑白CCD制式：lEIA(RS170)30帧/s 60场 H15.75Hz 在美国及日本通用lCCIR25帧/s 50场 H15.625Hz 在欧洲及中国通用 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 28 -CCD信号制式从分辨率上看，CCIR对应于PAL，EIA对应于NTSC。 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 29 -CCD芯片尺寸l特殊之处：1inch = 16mm 25.4mm 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 30 -CCD芯片尺寸相机芯片尺寸 镜头尺寸相机芯片尺寸 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 31 -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:1/301/16,000 10 steps 1/151/8,000 10 steps 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 32 -图像像素图像像素640 x 480 800 x 600 1024 x 768 1280 x 1024 1600 x 1200 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 33 -l图像分辨率：l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：l X / Xl如，检测一个长度约为10mm的工件，精度为0.01mm，则图像需要10/0.011000像素l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。l扫描速度 ： 被测物体每秒钟在垂直方向上移动的距离。图像分辨率 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 34 -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。 正常工作所需照度 13Lux 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 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 35 -相机接口类型 接口类型后截距螺纹尺寸C Mount17.526mm25.4mm 32tpi threadCS Mount12.5mm25.4mm 32tpi threadF Mount46.5mm卡口K Mount45.5mm卡口 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 36 -相机数据接口相机采集的数据及参数输出到外部的接口。 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 37 -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。 三、三、CCDCCD相机相关参数、概念相机相关参数、概念- 38 -