我們知道在圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實物盡量真實地反映到虛擬的圖像上。在機器視覺領域，圖像采集和處理的過程需要用到工業(yè)相機。

工業(yè)相機是機器視覺系統(tǒng)中的一個關鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成有序的電信號。其成像原理與小孔成像類似，但更為復雜。當被攝物體反射的光線通過工業(yè)鏡頭折射后，會投射到相機的感光傳感器上，這個感光傳感器通常是電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）。

由于光電轉(zhuǎn)換設備和放大設備都是針對微觀的電荷進行量化操作。就需要一個精密的器件來完成這兩個過程。我們常用的感光傳感器是CCD和CMOS，今天51camera和大家一起來看看CMOS傳感器的原理及基礎知識。

CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )互補金屬氧化物半導體，它是一種用傳統(tǒng)芯片方法將光敏元件、放大器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算器接口電路集成一塊在被稱做金屬氧化物的半導體材料上。

CMOS憑借其低功耗、高集成度、低成本和高速度等優(yōu)勢，已成為當今工業(yè)相機和消費電子領域絕對的主流。

一、CMOS工作過程

1.電荷產(chǎn)生(電荷的產(chǎn)生和收集)

2.電荷量化(將電荷轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號進行存儲)

3.信號輸出

二、CMOS的三種類型

1.卷簾快門Rolling shutter

每次僅能對一行像元進行曝光控制，一行曝光后再對下一行進行曝光。

這是大多數(shù)消費級CMOS傳感器采用的方式。

• 曝光方式：不是所有像素同時開始和結(jié)束曝光。而是像“卷簾”一樣，從上到下逐行進行曝光和讀取。
• 優(yōu)點：像素結(jié)構(gòu)相對簡單，填充因子高，成本較低。
• 缺點：在拍攝高速運動的物體時，會產(chǎn)生畸變。例如，拍攝旋轉(zhuǎn)的風扇葉片，葉片可能會變彎。
• 工業(yè)應用：適用于對運動畸變不敏感的一般檢測場景。

2.全局快門Global shutter

具備 5T的結(jié)構(gòu)，使整幅圖像所有像元同時開始和結(jié)束曝光。

這是工業(yè)相機的核心優(yōu)勢之一。

• 曝光方式：所有像素在同一時刻開始曝光，并在同一時刻結(jié)束曝光。然后，每個像素將電荷轉(zhuǎn)移到其內(nèi)部的一個遮光存儲區(qū)，再逐行讀取這些存儲區(qū)的信號。
• 優(yōu)點：可以完美捕捉高速運動的物體，無畸變。
• 缺點：像素結(jié)構(gòu)更復雜（增加了存儲區(qū)），填充因子降低，成本更高，通常噪聲（特別是暗噪聲）會比同級別的卷簾快門傳感器稍大。
• 工業(yè)應用：至關重要。廣泛應用于機器人引導、高速生產(chǎn)線檢測、體育分析、交通監(jiān)控等任何涉及快速運動的場景。

3.線陣Line

三、工業(yè)相機的關鍵性能參數(shù)

• 像素：感光器件上的基本感光單元，也是一幅圖像的基本單元。
• 分辨率：感光器件/圖像的水平和垂直方向的像素數(shù)。
• 有效像素：可以感光的、最終產(chǎn)生的電荷量將輸出為數(shù)據(jù)信息的像素。 無效像素：預掃描像素，不感光，產(chǎn)生的電量將被參考為灰度“0”，即黑電平基準。這些像素不會反映在圖像上。
• 靶面：Sensor的對角線長度，通常有 1/3, 1/2, 2/3, 1英寸等。相同數(shù)量的有效像素，板面大的感光好。
• 清晰度：實際能夠看到的清晰程度，用標準長度內(nèi)能看到多少線/點來衡量。
• 信噪比：輸出信號中有用信號和噪聲的比（dB）。
• 像素時鐘：每秒輸出的有效像素個數(shù)。
• 幀/場： 相機輸出的完整的一幅圖像為一幀，隔行信號一幀分為兩場。
• 增益：通過放大器對信號/噪聲的放大。
• 動態(tài)范圍：能分辨的圖像灰度級別。
• Binning：將幾個像素聯(lián)合起來作為一個像素使用，提高靈敏度和輸出速度，降低分辨率。
• 快門：每幀圖像的曝光時間。
• 光譜響應：感光器件在不同波段的感光程度。
• 量子效率：光子轉(zhuǎn)化成電子的效率（以%表示）對于不同波長的光此參數(shù)不一樣。一般為300~1100nm可見光范圍。

工業(yè)相機CMOS傳感器是一個高度復雜的光電系統(tǒng)集成芯片。其核心原理是利用光電效應在像素級別將光轉(zhuǎn)換為電荷，并通過復雜的片上電路將電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號并最終輸出為數(shù)字圖像。