工業相機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，其最本質的功能就是將光信號轉變成有序的電信號。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）。下面主要探討CCD傳感器的原理及應用。

1、工業相機工作原理

圖像采集：通過鏡頭收集被拍攝物體反射或透射的光線，將其聚焦在圖像傳感器上。

光電轉換：圖像傳感器（常見的有 CCD 和 CMOS）將光信號轉換為電信號。以 CMOS 傳感器為例，每個像素點都有一個感光二極管，光線照射時產生與光強成正比的電荷，進而被轉換為電壓信號。

信號處理：轉換后的電信號經過放大器進行放大，并通過模數轉換器（ADC）將模擬信號轉換為數字信號，這些數字信號經過處理后形成數字圖像數據，傳輸給計算機等設備進行后續分析。

CCD 是 Charge Coupled Device(電荷耦合元件)的縮寫,是一種將圖像轉換為電信號的半導體元件。大小約為長寬各 1厘米左右,由類似棋盤的格狀排列的小像素(pixel) 組成。

用相機拍攝時，拍攝對象發出的光通過鏡頭在CCD 上成像。光到達CCD 的某個像素時，將根據光的強度產生相應的電荷。將該電荷的大小讀取為電信號，即可獲得各像素上光的強度(濃度值)。

換言之,每個像素都是一個可以檢測光強度的傳感器(光電二極管)。所謂 200 萬像素 CCD 就是一個由200萬個光電二極管構成的集合體。

CCD成像原理

CCD 是數十萬一數百萬個傳感器的集合體。使用 CCD 可以實現一個傳感器所不能實現的多種檢查/檢測目的。

大部分圖像傳感器可以根據光強度將數據分為256 個等級(8位)。在基本的黑白處理中，黑色(純黑色)的數值為“0”,白色(純白色)的數值為“255”，其它處于兩者之間的顏色則根據光強度轉換成其它數值。

換言之,CCD 的每一個像素都有一個位于“0”(純黑色)與“255”(純白色)之間的數值。

例如，對于黑、白各占一半的灰色,其數值為“127”。

CCD 的圖像數據是構成CCD的各像素的數據的集合。像素數據用256 級濃淡數據加以表示。

如上圖所示,圖像數據的每一個像素都可以用0~255中的某一個數值加以表示，所謂圖像處理是指對于各個像素，按照下例中所示的計算公式進行計算，然后找到圖像上有特征的地方。

例1:損傷/欠缺檢查

將檢測區域分為多個分割(數像素角)，計算各分割的平均濃度(0~255)，然后加以比較。濃度值超過一定值的區域被視為有損傷或欠缺。

2、CCD四種類型

（1）Interline transfer

CCD 曝光后所產生的電荷都被轉移到附近的移位寄存器，通過垂直傳送向下轉移到底部，按一定排序輸出，它的優點在于曝光后即可將電荷儲存在寄存器，繼續拍照速度較快，感光和傳輸不在同一列，從而避免了兩者之間的沖突。

（2）Full frame

陣列的每一個像素都感光。傳輸時，每一列向單行串行寄存器上相對應的位置轉移。同時，串行寄存器向陣列的出口轉移。是一種架構更簡單的感光設計。鑒于Interline的缺點，Full Frame可以利用整個感光區 域(沒有寄存區的設計)，有效的增大感光面積，同時也適應長時間曝光。

（3）Frame transfer

Frame transfer的架構介于Interline和 Full Frame之間，它分成上下兩個部分，下半部是感光區，上半部是暫存區。整體來說Full Transfer 非常類似Full Frame，它的特點在于直接規劃一個大型寄存區。一旦CCD工作，它可以迅速將電荷轉移到下方的寄存區中，本身可以繼續曝光。這種設計讓Full Transfer同Interline一樣可使用電子快門，同時也增加了感光面積和速度，兼顧動、靜態的拍攝能力。

（4）Line線陣

Line線陣CCD是以一維感光點構成，利用目標物與相機之間的相對運動來掃描圖像。由于照片是一行行組成，速度比使用2維CCD(面陣)的相機慢。

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