工业CMOS相机的原理及基础知识

我们知道在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。在机器视觉领域，图像采集和处理的过程需要用到工业相机。

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。其成像原理与小孔成像类似，但更为复杂。当被摄物体反射的光线通过工业镜头折射后，会投射到相机的感光传感器上，这个感光传感器通常是电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）。

由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的感光传感器是CCD和CMOS，今天51camera和大家一起来看看CMOS传感器的原理及基础知识。

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CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )互补金属氧化物半导体，它是一种用传统芯片方法将光敏元件、放大器、存储器、数字信号处理器和计算器接口电路集成一块在被称做金属氧化物的半导体材料上。

CMOS凭借其低功耗、高集成度、低成本和高速度等优势，已成为当今工业相机和消费电子领域绝对的主流。

一、CMOS工作过程

1.电荷产生(电荷的产生和收集)

2.电荷量化(将电荷转换成电压或电流信号进行存储)

3.信号输出

二、CMOS的三种类型

1.卷帘快门Rolling shutter

每次仅能对一行像元进行曝光控制，一行曝光后再对下一行进行曝光。

这是大多数消费级CMOS传感器采用的方式。

 

• 曝光方式：不是所有像素同时开始和结束曝光。而是像“卷帘”一样，从上到下逐行进行曝光和读取。
• 优点：像素结构相对简单，填充因子高，成本较低。
• 缺点：在拍摄高速运动的物体时，会产生畸变。例如，拍摄旋转的风扇叶片，叶片可能会变弯。
• 工业应用：适用于对运动畸变不敏感的一般检测场景。

 

2.全局快门Global shutter

具备 5T的结构，使整幅图像所有像元同时开始和结束曝光。

这是工业相机的核心优势之一。

• 曝光方式：所有像素在同一时刻开始曝光，并在同一时刻结束曝光。然后，每个像素将电荷转移到其内部的一个遮光存储区，再逐行读取这些存储区的信号。
• 优点：可以完美捕捉高速运动的物体，无畸变。
• 缺点：像素结构更复杂（增加了存储区），填充因子降低，成本更高，通常噪声（特别是暗噪声）会比同级别的卷帘快门传感器稍大。
• 工业应用：至关重要。广泛应用于机器人引导、高速生产线检测、体育分析、交通监控等任何涉及快速运动的场景。

 

3.线阵Line

三、工业相机的关键性能参数

• 像素：感光器件上的基本感光单元，也是一幅图像的基本单元。
• 分辨率：感光器件/图像的水平和垂直方向的像素数。 
• 有效像素：可以感光的、最终产生的电荷量将输出为数据信息的像素。 无效像素：预扫描像素，不感光，产生的电量将被参考为灰度“0”，即黑电平基准。这些像素不会反映在图像上。
• 靶面：Sensor的对角线长度，通常有 1/3, 1/2, 2/3, 1英寸等。相同数量的有效像素，板面大的感光好。
• 清晰度：实际能够看到的清晰程度，用标准长度内能看到多少线/点来衡量。
• 信噪比：输出信号中有用信号和噪声的比（dB）。
• 像素时钟：每秒输出的有效像素个数。
• 帧/场： 相机输出的完整的一幅图像为一帧，隔行信号一帧分为两场。 
• 增益：通过放大器对信号/噪声的放大。 
• 动态范围：能分辨的图像灰度级别。 
• Binning：将几个像素联合起来作为一个像素使用，提高灵敏度和输出速度，降低分辨率。
• 快门：每帧图像的曝光时间。 
• 光谱响应：感光器件在不同波段的感光程度。
• 量子效率：光子转化成电子的效率（以%表示）对于不同波长的光此参数不一样。一般为300~1100nm可见光范围。

工业相机CMOS传感器是一个高度复杂的光电系统集成芯片。其核心原理是利用光电效应在像素级别将光转换为电荷，并通过复杂的片上电路将电荷转换为电压信号并最终输出为数字图像。