浅谈机器视觉传感器

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。