通過讓機器具有某種可視的能力，制造商們獲得了一種有力的質(zhì)量控制工具。機器視覺(machinevision)系統(tǒng)可捕獲圖像并可以測量一件產(chǎn)品的尺寸、位置和顏色、零部件的位置或者其它的關(guān)鍵特性，從而在無人看管的情況下提供快速“通過/未通過”判斷。

所有的機器視覺系統(tǒng)都帶有一臺攝像機、一個計算機和捕捉圖像并進行分析的軟件。所選用的系統(tǒng)部件必須能符合具體應(yīng)用的需要。因為圖像傳感器確定了成像系統(tǒng)的速度和分辨率，故正確的圖像傳感器的選取對于視覺應(yīng)用的成功來說具有關(guān)鍵性影響。下面將討論機器視覺中所采用的不同的圖像傳感器架構(gòu)，特別是那些與電子產(chǎn)品制造有關(guān)的系統(tǒng)。

圖1圖像傳感器將光轉(zhuǎn)換成電荷，并按一定的順序讀出電荷信號，使得圖像信息得以重構(gòu)。

圖2線掃描結(jié)構(gòu)

圖3全幀架構(gòu)的像素既將光轉(zhuǎn)換為電荷，又起到面讀出(readoutareas)電路的作用。

CCD的各種架構(gòu)

所有的CCD傳感器都同時具備大量光敏感點位(像素)和讀出機構(gòu)，前者將入射的光子轉(zhuǎn)換為電荷，而后者將每個點位的電荷以一定的順序輸送到一個輸出放大器中，轉(zhuǎn)移到傳感器外。人們開發(fā)出多種設(shè)計，它們往往突出某些方面的性能，而相應(yīng)犧牲其它一些方面的性能，因此，有些圖像傳感器的架構(gòu)更適合于機器視覺，而其它一些則更適用于從天文到業(yè)余或者職業(yè)數(shù)碼攝影等多項應(yīng)用。機器視覺所采用的體系架構(gòu)包括線陣式、線間轉(zhuǎn)移、全幀和幀傳輸式等多種傳感器類型。

線陣式圖像傳感器

一個線陣式圖像傳感器(逐線掃描)包含一條或者多條像素直線陣列。每個陣列與至少一個讀出裝置及放大器耦合。線陣圖像傳感器適用于那些要對連續(xù)制造的產(chǎn)品(如傳送帶上的PC板，未來的印刷塑性電路板以及其它薄型、卷狀的產(chǎn)品，如雜志、印刷布和/或紙幣)進行成像的機器視覺應(yīng)用(參見圖2)?？偠灾?，線陣式傳感器總體結(jié)構(gòu)簡單，適用于對扁平、快速移動的物體的成像，但在需要捕獲3D物體圖像的應(yīng)用中它們往往無法與面積型傳感器相競爭。

全幀式傳感器

全幀式傳感器將光電敏感與讀出結(jié)合起來。由于不存在單獨的存儲區(qū)，故需要一個外部的快門(或者同步頻閃照明)防止入射光在任何電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生前照亮像素(見圖3)。如果不采用快門或頻閃，則圖像會出現(xiàn)拖尾污跡效果。

在機器視覺歷史的早期(上世紀80年代中期)，人們采用的是全幀面積傳感器，因為對于該應(yīng)用而言它們是唯一一種分辨率足夠高的產(chǎn)品。如果一項應(yīng)用需要1024×1024像素傳感器(如Kodak的KAF-1400傳感器)所能提供的分辨率的話，則全幀式傳感器是唯一的選擇。

總而言之，全幀傳感器的體系結(jié)構(gòu)是各種面積型傳感器中最簡單的，其分辨率和光敏感面積的密度也是最高的(后者是指其填充因數(shù)最高)。它們還提供了很高的全阱容量(full-wellcapacity)、低噪聲和大的動態(tài)范圍。不過它們需要一個機械快門。

幀傳輸式圖像傳感器

一個幀傳輸圖像傳感器類似于全幀成像器。不過，它采用了第二個面陣列，該陣列實現(xiàn)了光屏蔽且作為圖像的存儲區(qū)(參見圖4)。該結(jié)構(gòu)并不需要一個機械快門，故幀速率高于全幀傳感器，因為它們可以在傳送一幅圖像的同時獲取另一幅圖像。不過，由于積分仍然發(fā)生在圖像轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)的過程中，故圖像存在拖尾污跡，性能受到一定的影響。因為要實現(xiàn)這一架構(gòu)需要把集成電路面積增加一倍，故幀傳輸CCD一般分辨率較低，而成本高于全幀CCD。

總而言之，幀傳輸傳感器具有更高的填充因數(shù)、更高的全阱容量、低噪聲、大動態(tài)范圍、電子快門和較好的幀速率。它們的主要缺點是曝光時間很短時會出現(xiàn)較大的圖像污跡，而且制造成本較高。

圖4幀轉(zhuǎn)移架構(gòu)收集一個陣列上(頂部)的光線，然后將電荷轉(zhuǎn)移到另一個實現(xiàn)了光屏蔽的陣列，隨后讀出。

圖5線間傳感器架構(gòu)將生成光的電荷轉(zhuǎn)移到緊臨像素的屏蔽區(qū)域。傳感器失去了圖像敏感區(qū)域，但速度卻得以提高。

線間轉(zhuǎn)移(InterlineTransfer)傳感器

在線間圖像傳感器中，光敏感和讀出功能也是分開的。每個像素被一個屏蔽了光線的垂直CCD(VCCD)包圍，該VCCD可以轉(zhuǎn)移電荷(見圖5)。這使得線間傳感器能在捕捉一幀圖像的同時將前一幅圖像移走，從而實現(xiàn)了內(nèi)置的電子快門能力。

線間傳感器的開發(fā)時間晚于全幀和幀傳輸傳感器。隨著線間技術(shù)的成熟，它已經(jīng)能夠提供機器視覺所需的更高的分辨率和更高的幀速率。如今，線間傳感器是3D物體成像最常用的傳感器形式，其應(yīng)用包括：確認電路板上放置了正確的元件，或者檢驗封裝后的IC，以確保引線沒有彎折。

總而言之，線間轉(zhuǎn)移傳感器提供了VGA到百萬像素級的分辨率，以及很高的全阱容量。它們還具有低噪聲、大動態(tài)范圍、快門電子化、高幀速率和低污跡等特點，可以實現(xiàn)短時曝光。

結(jié)語

總之，用戶希望獲得更快的幀速率(為了跟上快速移動的物體)、更高的量子效率(以便在光線較弱時和/或成像時間更短時提供更多的圖像)和更大的動態(tài)范圍(這樣可以在圖像較亮或較暗的部分可以看到相對的細節(jié))。電子快門、漸進式掃描讀出和高靈敏度都是在明確何種傳感器最適用于機器視覺應(yīng)用時需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。應(yīng)該記住的是，正是整套參數(shù)的匹配，才使得特定的一種傳感器成為應(yīng)用的最佳選擇。