工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。其成像原理與小孔成像類(lèi)似，但更為復(fù)雜。當(dāng)被攝物體反射的光線通過(guò)工業(yè)鏡頭折射后，會(huì)投射到相機(jī)的感光傳感器上，這個(gè)感光傳感器通常是電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。下面主要探討CCD傳感器的原理及應(yīng)用。

1、工業(yè)相機(jī)工作原理

圖像采集：通過(guò)鏡頭收集被拍攝物體反射或透射的光線，將其聚焦在圖像傳感器上。

光電轉(zhuǎn)換：圖像傳感器（常見(jiàn)的有 CCD 和 CMOS）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。以 CMOS 傳感器為例，每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)感光二極管，光線照射時(shí)產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的電荷，進(jìn)而被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

信號(hào)處理：轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放大，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后形成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，傳輸給計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行后續(xù)分析。

CCD 是 Charge Coupled Device(電荷耦合元件)的縮寫(xiě),是一種將圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體元件。大小約為長(zhǎng)寬各 1厘米左右,由類(lèi)似棋盤(pán)的格狀排列的小像素(pixel) 組成。

用相機(jī)拍攝時(shí)，拍攝對(duì)象發(fā)出的光通過(guò)鏡頭在CCD 上成像。光到達(dá)CCD 的某個(gè)像素時(shí)，將根據(jù)光的強(qiáng)度產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。將該電荷的大小讀取為電信號(hào)，即可獲得各像素上光的強(qiáng)度(濃度值)。

換言之,每個(gè)像素都是一個(gè)可以檢測(cè)光強(qiáng)度的傳感器(光電二極管)。所謂 200 萬(wàn)像素 CCD 就是一個(gè)由200萬(wàn)個(gè)光電二極管構(gòu)成的集合體。

CCD成像原理

CCD 是數(shù)十萬(wàn)一數(shù)百萬(wàn)個(gè)傳感器的集合體。使用 CCD 可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的多種檢查/檢測(cè)目的。

大部分圖像傳感器可以根據(jù)光強(qiáng)度將數(shù)據(jù)分為256 個(gè)等級(jí)(8位)。在基本的黑白處理中，黑色(純黑色)的數(shù)值為“0”,白色(純白色)的數(shù)值為“255”，其它處于兩者之間的顏色則根據(jù)光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成其它數(shù)值。

換言之,CCD 的每一個(gè)像素都有一個(gè)位于“0”(純黑色)與“255”(純白色)之間的數(shù)值。

例如，對(duì)于黑、白各占一半的灰色,其數(shù)值為“127”。

CCD 的圖像數(shù)據(jù)是構(gòu)成CCD的各像素的數(shù)據(jù)的集合。像素?cái)?shù)據(jù)用256 級(jí)濃淡數(shù)據(jù)加以表示。

如上圖所示,圖像數(shù)據(jù)的每一個(gè)像素都可以用0~255中的某一個(gè)數(shù)值加以表示，所謂圖像處理是指對(duì)于各個(gè)像素，按照下例中所示的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，然后找到圖像上有特征的地方。

例1:損傷/欠缺檢查

將檢測(cè)區(qū)域分為多個(gè)分割(數(shù)像素角)，計(jì)算各分割的平均濃度(0~255)，然后加以比較。濃度值超過(guò)一定值的區(qū)域被視為有損傷或欠缺。

2、CCD四種類(lèi)型

（1）Interline transfer

CCD 曝光后所產(chǎn)生的電荷都被轉(zhuǎn)移到附近的移位寄存器，通過(guò)垂直傳送向下轉(zhuǎn)移到底部，按一定排序輸出，它的優(yōu)點(diǎn)在于曝光后即可將電荷儲(chǔ)存在寄存器，繼續(xù)拍照速度較快，感光和傳輸不在同一列，從而避免了兩者之間的沖突。

（2）Full frame

陣列的每一個(gè)像素都感光。傳輸時(shí)，每一列向單行串行寄存器上相對(duì)應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時(shí)，串行寄存器向陣列的出口轉(zhuǎn)移。是一種架構(gòu)更簡(jiǎn)單的感光設(shè)計(jì)。鑒于Interline的缺點(diǎn)，F(xiàn)ull Frame可以利用整個(gè)感光區(qū) 域(沒(méi)有寄存區(qū)的設(shè)計(jì))，有效的增大感光面積，同時(shí)也適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間曝光。

（3）Frame transfer

Frame transfer的架構(gòu)介于Interline和 Full Frame之間，它分成上下兩個(gè)部分，下半部是感光區(qū)，上半部是暫存區(qū)。整體來(lái)說(shuō)Full Transfer 非常類(lèi)似Full Frame，它的特點(diǎn)在于直接規(guī)劃一個(gè)大型寄存區(qū)。一旦CCD工作，它可以迅速將電荷轉(zhuǎn)移到下方的寄存區(qū)中，本身可以繼續(xù)曝光。這種設(shè)計(jì)讓Full Transfer同Interline一樣可使用電子快門(mén)，同時(shí)也增加了感光面積和速度，兼顧動(dòng)、靜態(tài)的拍攝能力。

（4）Line線陣

Line線陣CCD是以一維感光點(diǎn)構(gòu)成，利用目標(biāo)物與相機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)掃描圖像。由于照片是一行行組成，速度比使用2維CCD(面陣)的相機(jī)慢。

如果想了解更多工業(yè)相機(jī)的信息，可查看機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品資料查詢平臺(tái)。