2、相機

這里所說的相機主要指工業相機/攝像機，相比與民用的相機/攝像機它有高的圖像穩定性、圖像質量、傳輸能力和抗干擾能力等，因而價格也相比民用相機貴。以前的相機多是基于是顯像管的。

如今，隨著固體成像器件的發展，市面上大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機。CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。

CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包，而后在驅動脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步信號發生器、垂直驅動器、模擬/數字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優點。

CMOS圖像傳感器的開發最早出現在20世紀70 年代初。90 年代初期，隨著超大規模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術的發展，CMOS圖像傳感器得到迅速發展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優點。

目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應用。

相機按照芯片類型、傳感器結構特性、掃描方式、分辨率大小、輸出信號方式、輸出色彩、輸出信號速度、響應頻率范圍等有著不同的分類方法：按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機；按照傳感器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機；按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數字相機；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高速相機；按照響應頻率范圍可以分為可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機。

在下面的章節中，將以目前應用較普遍的CCD相機為主來介紹工業相機。用于數字圖像處理的CCD相機一般由兩部分組成：圖像獲取單元和圖像輸出單元。

圖像獲取

與顯像管比較，CCD芯片由獨立的光敏元件構成，每一個光敏元件表示一個像素，因此能夠傳輸二維的離散圖像。而且體積、重量都比較小，具有高動態、高線性，對機械、磁場、光影響不敏感。并且由于市場的大量生產，CCD相機也相對便宜一些。CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數器件是以電流或者電壓為信號。

下圖為CCD實現光電轉換的示意圖,可以形象地喻為往井或桶內注水，因而半導體物理中用“勢阱”的概念描述用來收集光激發電荷的積分區域，其中單個像素所能存儲的最大光電荷量（不向其鄰近像素溢出），也稱為“滿阱容量”。CCD的光敏單元收集光子與產生的電子數目有良好的線性關系，通常來說，2個光子產生一個電子，在輸出單元50000個電子產生一個1伏的視頻信號，增益為1：1。由于熱效應產生附加的光子，即暗電流，就會產生不期望的噪聲。因此采用CCD芯片這種非穩態結構不用照明，普通的CCD即使在室溫的條件下一分鐘內就可完全充滿電子，而且大約溫度每增加7攝氏度,暗電流就會加倍，這就是說芯片的溫度升高，噪聲就會急劇增加。因此，為了控制暗電流，控制一個比較短的曝光時間非常重要。

傳統控制曝光時間的方法是利用機械快門，而如今CCD芯片多采用電子曝光控制，即電子快門。在手工操作模式，用戶通常可以選擇比如1/50、1/100、1/500秒的一些離散的快門速度（積分時間）；而在自動電子快門模式快門速度能夠根據入射光的強度自動調整。如果光的強度太弱，則可以通過長積分時間模式或控制增益的方式來增強弱的CCD信號。

當完成對光敏元區域的掃描后，CCD將光電荷從光敏區域轉移至屏蔽存儲區域。而后，光電荷被按順序轉移至讀出寄存器，電荷耦合器件（CCD）正是由這種電荷耦合式的轉移方式，通過在按一定的時序在電極上施加高低電平，可使光電荷在相鄰的勢阱間進行轉移，下圖為目前廣泛采用的三相電極傳送方式。

三相CCD中光電荷的轉移

CCD的光敏區域有一維線陣排列和二維面陣排列兩種，與其對應的就是線陣（線掃描）相機和面陣（面掃描）相機。圖所示就是兩種較典型的線陣CCD，通常是由512、1024、2048、4096等個像敏元呈一維排列。光敏陣列與轉移區——移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋。圖中左側所示的單通道線陣CCD中，當轉移脈沖到來時，線陣光敏陣列勢阱中的信號電荷并行轉移到同一個CCD移位寄存器中，最后在時鐘脈沖的作用下一位位地移出器件，形成視頻脈沖信號，而在下圖中左側所示的雙通道線陣CCD中，當轉移脈沖到來時，線陣光敏陣列勢阱中的奇偶位的信號電荷分別并行轉移到不同CCD移位寄存器中，最后再合并為視頻信號輸出，這樣可以提高傳輸速度，目前不僅有雙通道，甚至有四通道、八通道的線陣相機以加速線陣CCD的傳輸速度。

線陣CCD結構（左為單溝道、右為雙溝道）

而對于面陣CCD相機，顧名思義其像元呈二維陣列分布，下圖所示為三種典型的面陣CCD結構，最左邊為楨轉移型面陣CCD，它由成像區、暫存區和水平讀出寄存器三部分構成，它的光存儲區域與光敏像素區域分開，因此能夠有較大的填充因子和較高的勢阱容量模傳遞函數MTF較高的優點，幀轉移型CCD的缺點就是快門速度不快，并且制造的體積要稍大，就增加了成本；

中間的為全幀型面陣CCD，當積分完成后通過快門屏蔽入射光然后開始進行行轉移，他可以具有比較大的光敏區域比例；最右邊為行間轉移型CCD，每列像敏單元的旁邊都有一個垂直移位寄存器，行間轉移CCD只需要約1uS的時間就可完成光電荷至垂直移位寄存器的轉移，從而很好地解決了幀轉移CCD因轉移速度不夠快而帶來的圖像模糊問題。同時，由于行間轉移CCD的垂直移位寄存器所占的面積均被遮蔽，所以其對輸入光的利用率以及像素密度相對較低。

![圖片]

面陣CCD結構（左為楨轉移、中為全楨轉移、右為行間轉移）

CCD芯片總會給出一些基本參數或特性，您想知道某種CCD相機是否能夠滿足您的應用，那么這些參數或特性正是您所要關心的。

CCD芯片的基本參數之一就是分辨率，單位為有效像素。以面陣相機為例，支持CCIR制式的相機能夠提供768×576有效像素的圖像輸出，支持RS-170（EIA）制式的相機能夠提供640×480有效像素的圖像輸出，比較常見的百萬像素相機可以提供1280 × 1024有效像素。

有效像素區域的大小，即CCD芯片尺寸同樣是一個重要的參數。下圖所示的一些常見面陣CCD芯片尺寸，通常都會以英寸表示，圖中分別對應了其實際尺寸。

常見面陣CCD芯片尺寸

頻譜響應特性是另外一個重要的光學參數。圖中所示的實線是典型CCD芯片的頻譜響應。通常，為了使CCD與人眼的頻譜相似（即使CCD獲取的照片更有真實感）或者排除溫度等對CCD相機的影響，相機中會提供一個紅外濾波片來實現，如圖中點劃線所示。假如有一些應用需要對近紅外光（NIR）有高的頻譜響應來達到圖像效果，在這種情況下，就需要一個峰值大約750納米的CCD芯片，這種芯片還可以通過標準CCD芯片技術達到，因而價格相比還不是很貴。但標準CCD技術對紫外光(UV)以及中（MIR）、遠紅外光（FIR）是不適用的，這些區域需要特殊的CCD器件或者完全不同的技術,因而價格也貴很多。

常見CCD芯片頻譜響應曲線

CCD芯片本身沒有區分顏色的能力，比如說，不同的波長就產生不同的光子能量。因此，要通過CCD獲得顏色信息，就必須獲取混合光中三基色（RGB）分量。彩色CCD芯片獲取RGB信息通常有兩種方法：最常見的也是相對簡單就是在CCD相鄰像素上依次加上紅、綠、藍色的濾波片（mosaic filters），在一個芯片上將彩色分量分離，這樣我們就得到與我們眼睛看到的相似的紅綠藍相鄰像素，使用這種技術的相機比較便宜，而且不需要特殊的鏡頭，缺點就是分辨率比較低。而獲取高分辨率的彩色圖像則多利用三CCD技術，利用棱鏡將進入相機的光分成三種顏色，三種顏色的光分別映射到另外三個獨立的CCD芯片，利用這種技術的相機能夠保證高的質量，不過價格也較高，另外，需要使用特殊的鏡頭。

如果您的應用有高分辨率圖像的需要，通常的標準視頻制式的工業相機可能不能獲得。您可以通過采用高分辨率的面陣CCD相機，也可以采用線陣CCD相機，通常采用線陣CCD不僅價格相對便宜，也容易獲取高一些的速度。來源網絡，不知來源，講述機器視覺基礎知識。