机器视觉铝箔针孔检测的图像传感器选择分析
来源：www.mvcreating.com2014年11月21日热度：788
在机器视觉系统中摄像机的作用是将通过镜头聚焦于像平面的光线生成图像，其中最重要的组成部件是数字传感器。目前常用的就是CCD传感器和CMOS传感器。下面看看两种传感器的特点并比较它们之间的优缺点，选出最适合铝箔针孔在线检测的传感器。
一、CCD传感器
CCD，英文全称是 Charge Coupled Device ，即电荷耦合器件，它由一行光线敏感的光电探测器组成，光电探测器一般为光栅晶体管或光电二极管。其工作原理为曝光时光电探测器累计电荷，通过转移门电路，电荷被移至串行读出寄存器从而读出。CCD的每个光电探测器都是和一个串行读出寄存器一一对应，我们需要用金属护罩阻止其它干扰光子照射到具有光敏特性的串行读出寄存器上。工作过程为：电荷转换单元把接受到的电荷转为电压，再将其放大，最后转换成模拟或数字视频信号。
CCD从结构上可以分为线阵CCD传感器和面阵CCD传感器。线阵CCD传感器只能生成高度为1行的图像，为得到有效图像，线阵CCD传感器必须作相对于被测物体的运动：一种方法是将传感器安置在运动的被测物（如传送带）上方，第二种是被测物不动而传感器相对被测物运动。这说明了线阵CCD不能直接把二维图像转换为我们所需要的视频信号，是因为它只能接受一维光信号，我们必须通过扫描的方法来得到整个二维图像的所有视频信息。面阵CCD传感器从结构上分为全帧转移型面阵传感器、帧转移型面阵传感器、隔列转移型传感器三种。全帧转移型面阵传感器是光在光电探测器中转换为电荷，一行一行地转移到串行读出寄存器，然后进行电荷转换和放大读出，在读出过程中，光电传感器还处于曝光状态，仍有电荷累积，由于上面的像素要经过下面的像素移位移出，所以会出现拖影现象，这是全帧转移型面阵传感器的最大缺点，其最大的优点是填充因子可达100％。帧转移型面阵传感器是全帧转移型传感器加上另外的覆盖有金属光屏蔽层的传感器用于存储，这种传感器的最大优点是其填充因子可达100％，而且不需要机械快门或闪光灯，缺点是其通常由两个传感器组成因此成本高。隔列转移型传感器是由光电探测器与一个带有不透明的金属屏蔽的垂直转移寄存器组成，其工作原理是图像曝光后，累积到的电荷通过传输门电路转移到垂直传输寄存器中，再移至串行读出寄存器，然后读出形成视频信号，其最大缺点是由于其传输寄存器需要在传感器上占用空间，所以它的填充因子可能低至20％，图像失真会增加，常利用在传感器上加上微镜头来使光聚焦至光敏光电二极管，然而即使这样也不可能使其填充因子达到100％。
二、CMOS传感器
CMOS，英文全称是Complementary Metal-Oxide Semiconductor，即互补性氧化金属半导体，通常采用光电二极管作为光电探测器，与CCD传感器不同，光电二极管中的电荷不是顺序地转移到读出寄存器，CMOS传感器的每一行都可以通过行和列选择电路直接选择并读出，这方面CMOS传感器可以当随机存取存储器。按像素结构分为被动式与主动式两种。被动式像素结构，又叫无源式，它由被反向偏执的光敏二极管以及MOS开关管两个元件构成。光敏管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它等效为被方向偏置的二极管并联上一个MOS管型电容组成。当开关管开启时，该光敏管和垂直布局的列线相连接，由该列线末端的电荷型积分放大器读出电路保持列线电压为一常数，当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到与列线电压相同的值，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷型积分放大器转换为电荷输出。主动式像素结构,又叫有源式，这种传感器中的每个像素都有一个自己的独立放大器，主动式像素结构有助于改善像素的性能，但是集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效面积，降低了“封装密度”，使40%～50%的入射光被反射。另外被动式像素结构的电荷填充因数通常可达到70%，因此量子效率高。但光电二极管积累的电荷通常很小，很易受到杂波干扰。再说像素内部又没有信号放大器，只依赖垂直总线终端放大器，因而读出的信号杂波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素杂波大小不一样（固定图形噪波FPN）而影响整个图像的质量。而主动性像素结构与被动式相比，它在每个像素处增加了一个放大器，可以将光电二极管积累的电荷转换成电压进行放大，大大提高了S/N比，从而提高了传输过程中抗干扰的能力。但由于放大器占据了过多的像素面积，因而它的填充因数相对较低，一般在25%～35%之间。此会采用微镜头来增加填充因子和减少图像失真。由于PPS信噪比低、成像质量差，所以APS结构应于绝大多数CMOS传感器。
三、CCD传感器与CMOS传感器性能的比较
由于构造上的差异，造成了CCD和CMOS的性能也不大一样。CMOS的制作过程需要在整合每个像素资料之前先行放大，但是不会设计专属通道，这样就比较简单；而CCD与CMOS不一样的是它需经过专属通道设计，这是为了充分保持信号在传输过程中不会发生失真现象，为了保持资料的完整性，CCD需要透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理。总的来说，成像效果是最能反映CCD与CMOS设计应用的不同。下面比较一下CCD传感器和CMOS传感器在解析度、ISO的感光度、耗电量、噪声以及制造成本等方面的差异：
1、解析度差异：在ISO感光度中知道，由于CMOS每个像素的结构比CCD复杂，其感光开口不及CCD大，在相同尺寸下，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果不考虑尺寸的限制，从量率上的角度来看，由于CMOS在这方面的优势，使其成为克服尺度较大的感光原件制造方面的优先选择。
2、ISO的感光度差异：在CMOS感光传感器中，由于放大器与模数转换电路存在于每个像素中，而过多的这样的设备占用了本来就小的感光区域的面积，因此在像素相同的情况下，对于尺寸相同的感光器，在感光度方面，CMOS型传感器不比CCD型传感器。
3、噪点差异：在CMOS传感器型的任何一个感光二极体的旁边都要配置A/D转换器的放大器，假设像素以百万来计算，那么需要A/D转换器中放大器的数目就在百万个以上。即是产品是统一制造出的，但是每个运算放大器都会存在或多或少的差异，达到同步的放大效果几乎是不可能的，因此相对于CCD型来说，CMOS型的传感器的噪点就要多一些。
4、耗电量差异：CMOS传感器的影像型电荷驱动方式被称为主动式，电晶体管直接放大由感光型二极体产生的电荷，然后进行输出；但CCD型的为被动式结构，任何像素中的电荷如果要移到传输通道，必须要通过外加高达12V以上的电压来操作。因此相对于CMOS型，CCD还需要更精密的外加电源的设计以及耐压方面的强度。而且高的驱动电压导致CCD的电量也要高于CMOS。
5、成本差异：CMOS应用在半导体工业常用的MOS 制程，可以整合所有的周边设施在单晶片中，节省了处理晶片所需的成本和产量的损失；相对地电荷耦合器件采用电荷转移方式输出信息，必须另辟传输通道，如果该通道中有一个像素发生故障，将导致一整排的信号拥塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加ADC等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。
6、灵敏度差异：CCD传感器的灵敏度高于CMOS传感器。是因为CMOS传感器上面的每个像素都是由一个感光二极管和四个晶体管（包括放大器与A/D转换电路），使得像素本身的表面积远远大于每个像素的感光区域，因此在像素尺寸完全一样的情况下，CCD的灵敏度更高一些。
7、分辨率差异：由于CMOS传感器的每个像素都要比CCD传感器要复杂得多，且像素尺寸很难达到CCD传感器的水平，所以当我们比较相同尺寸的CMOS和CCD传感器时，通常来说CCD传感器的分辨率都会由于CMOS传感器。例如，目前市面上Sony推出的一款ICX452，它的尺寸与OV2610相差不多，但是分辨率却高达513万像素，像素尺寸只有2.78μm的水平。CMOS传感器高达210万像素的的OV2610，其尺寸为1/2英寸，像素尺寸为4.25μm。
表1 CCD和CMOS的性能对比
|
性能参数 |
CCD |
CMOS |
|
灵敏度 |
优 |
良 |
|
噪声 |
优 |
良 |
|
光晕 |
有 |
无 |
|
电源 |
多电极 |
单一电极 |
|
集成程度 |
低 |
高 |
|
功耗 |
高 |
低 |
|
电路结构 |
复杂 |
简单 |
|
抗辐射 |
弱 |
强 |
|
动态范围 |
大于70dB |
大于70dB |
|
传感器体积 |
大 |
小 |
|
彩色编码 |
片外 |
片内 |
|
ADC模块 |
片外 |
片内 |
|
时许及控制电路 |
片外 |
片内 |
|
自动增益控制 |
片外 |
片内 |
综合来看，CCD具有成像像素高、清晰度高、色彩还原系数高、灵敏度高、成像质量高的特点，但是CCD的成本高、功耗大、系统集成度差、数据读取速率慢的缺陷。一般来说CCD应用于对图像质量要求高、低照度的环境中，而CMOS图像传感器应用于对图像质量要求一般、成本要求低的场合。
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