Kako izbrati med senzorji CCD in CMOS za kamero za strojno vizijo v razmerah z nizko osvetlitvijo?

Izbira prave tehnologije senzorja za kamera strojne videoposnetke uporabljeno v okoljih s slabim osvetlitvijo je ena najpomembnejših odločitev, s katero se soočajo inženirji ali strokovnjaki za nabavo. Ne glede na to, ali nameščate kamera strojne videoposnetke na slabo osvetljeno proizvodno linijo, znotraj zaprte preverjalne komore ali v zunanjih nadzornih aplikacijah z nestalno osvetlitvijo, bo vrsta senzorja v jedru kamere neposredno vplivala na kakovost slike, zanesljivost sistema in dolgoročne obratovalne stroške. Izbira med arhitekturama senzorjev CCD in CMOS ni zgolj tehnična preferenca – gre za odločitev, ki ima dejanske inženirske in finančne posledice za vsako namestitev kamere za strojno vizijo.

Ta članek obravnava obe arhitekturi senzorjev z vidika kamere za strojno vizijo, ki deluje v pogojih slabe osvetlitve. Razumevanje temeljnih razlik pri načinu, kako vsak senzor zajema in obdeluje svetlobo, vam bo pomagalo izbrati konfiguracijo kamere za strojno vizijo, ki najbolje ustrezajo vašim zahtevam za uporabo. Od razmerja signal/šum do branja šuma, dinamičnega obsega in časa integracije vsak dejavnik igra ključno vlogo, kadar mora kamera za strojno vizijo zanesljivo delovati v zahtevnih razmerah osvetlitve.

Kako se senzorji CCD in CMOS razlikujejo v kameri za strojno vizijo

Arhitektura signala in občutljivost na slabo osvetlitev

Kamera za strojno vizijo na osnovi CCD prenese naboj iz piksla v piksel čez senzor, preden ga pretvori v napetost na enem izhodnem vozlišču. Ta arhitektura zagotavlja zelo enakomeren odziv pikslov in nizko šumsko slike fiksne vzorčne strukture, kar sta zelo željeni lastnosti, kadar mora kamera za strojno vizijo zaznati majhne razlike v kontrastu v slabо osvetljenih prizorih. Ker vsak piksel v kameri za strojno vizijo na osnovi CCD deli eno vozlišče za pretvorbo, ostane bralni šum skozi celotno površino senzorja dosledno nizek. To kameri za strojno vizijo na osnovi CCD omogoča posebno dobro primernost za aplikacije, kjer je absolutna občutljivost in enakomernost slike pomembnejša od hitrosti obdelave.

Kamera za strojno vizijo na osnovi CMOS-a, v nasprotju s tem, neposredno pretvori naboj v napetost na vsakem pikselu z uporabo ojačevalnika znotraj piksela. Ta pristop pretvorbe na ravni posameznega piksela omogoča kameri za strojno vizijo branje posameznih pikselov ali območij znanega interesa, kar omogoča znatno višje frekvence slike. Vendar so zgodnje CMOS-izvedbe povzročile višji bralni šum in večjo razliko med posameznimi pikseli. Sodobni CMOS-senzorji z osvetlitvijo od zadaj, ki se uporabljajo v današnjih izvedbah kamer za strojno vizijo, so velik del te razlike zmanjšali in zagotavljajo občutljivost, ki v mnogih scenah z nizko osvetlitvijo konkurira zmogljivosti CCD-jev.

Dinamični obseg in lastnosti glede šuma

Dinamični obseg je ključna merilna količina za vsako kamero za strojno vid, ki deluje v razmerah z nizko osvetlitvijo ali mešano osvetlitvijo. Kamera za strojno vid z visokim dinamičnim obsegom lahko zajame podrobnosti v senci in podrobnosti v svetlih delih v istem posnetku brez prerezanja ali motenj zaradi šuma na ravni šuma. Tradicionalni CCD-senzorji ponujajo odličen dinamični obseg z napovedljivimi lastnostmi šuma, kar naredi kameri za strojno vid na osnovi CCD-ja zanesljivo izbiro za nadzorovane laboratorijske ali farmacevtske pregledne okolja. CMOS-senzorji v sodobni kameri za strojno vid lahko dosežejo tudi konkurenčen dinamični obseg, zlasti kadar se uporabljata globalni zaklenjen obtokator in arhitektura pikselov z dvojnim dobičkom. Za kamera za strojno vid, ki deluje na hitro premični proizvodni liniji z variabilno osvetlitvijo, lahko možnost CMOS z visokim dinamičnim obsegom dejansko preseže rešitev na osnovi CCD-a tako, da združi hitrost z ustrezno občutljivostjo.

Ključni kriteriji za oceno izbire kamere za strojno vid z nizko osvetlitvijo

Kvantna učinkovitost in faktor izpolnjenosti

Kvantna učinkovitost opisuje, kako učinkovito senzor kamere za strojno vizijo pretvarja prihodne fotone v elektrone. Kamera za strojno vizijo z visoko kvantno učinkovitostjo proizvede močnejši signal pri isti svetlobni intenziteti, kar neposredno zmanjša odvisnost od ojačitve z dobičkom in omejuje ojačitev šuma. Senzorji CCD so se zgodovinsko izkazali najvišjo kvantno učinkovitost za znanstvene in industrijske aplikacije kamer za strojno vizijo. Vendar lahko danes uporabljeni senzorji CMOS z osvetlitvijo od zadaj, ki se uporabljajo v komercialnih kamerah za strojno vizijo, dosežejo kvantno učinkovitost nad 80 % v vidnem delu spektra, kar ustrezno ali celo presega mnoge alternative na podlagi CCD-jev. Pri ocenjevanju kamere za strojno vizijo za uporabo v slabih svetlobnih razmerah vedno zahtevajte od dobavitelja krivuljo spektralne kvantne učinkovitosti in jo primerjajte z želenim valovnim obsegom.

Čas integracije in razmiski o gibanju

V pogojih z nizko osvetlitvijo strojna vizija pogosto zahteva daljši čas integracije, da se zbere dovolj močen signal. Daljši čas izpostavljenosti pri strojni viziji povzroča tveganje motnje zaradi gibanja pri pregledu premikajočih se delov ali predmetov. Strojna kamera za vizijo s CCD-senzorjem in globalnim zaklenitvenim mehanizmom zajame vse piksle hkrati, kar odpravi distorzijo zaradi vrstičnega zaklenitvenega mehanizma, ki jo nekatere CMOS-zasnove povzročajo. Za aplikacije, kjer mora strojna kamera za vizijo zajeti premikajoč cilj pri nizki osvetlitvi, se močno priporoča uporaba strojne kamere za vizijo z globalnim zaklenitvenim mehanizmom – ne glede na to, ali gre za CCD ali CMOS. Številni industrijski modeli strojnih kamer za vizijo na osnovi CMOS so zdaj opremljeni z načini globalnega zaklenitvenega mehanizma, ki ohranjajo celovitost slike tudi pri podaljšanih nastavitvah izpostavljenosti.

Praktični dejavniki za odločitev pri vaši aplikaciji strojne vizije

Hitrost aplikacije, vmesnik in skupna cena

Če vaša aplikacija za strojno vidno kameri zahteva visoko zmogljivost – na primer vključno nadzorovanje pri stotinah delov na minuto – vam običajno ponudi prednost pri obdelovalni hitrosti CMOS kamera za strojni vid. CCD kamera za strojni vid običajno deluje z nižjo frekvenco sličic zaradi svoje zaporedne arhitekture prenosa naboja. Za počasnejše, vendar visoko natančne naloge nadzora, kot so analiza ploščic ali preverjanje dokumentov, je še vedno lahko prednostna izbira CCD kamera za strojni vid. Pomemben dejavnik je tudi cena: moduli CMOS kamere za strojni vid so postali znatno cenejši zaradi masovne proizvodnje potrošniških in mobilnih naprav, kar jih naredi ekonomično izbiro za večino novih namestitev kamere za strojni vid.

Dejavniki okolja in dolgoročne zanesljivosti

Kamera za strojno vizijo, nameščena v industrijskem okolju, mora zdržati vibracije, spremembe temperature in neprekinjen obratovanje. CMOS-senzorji, uporabljeni v sodobnih konstrukcijah kamer za strojno vizijo, porabljajo manj energije in ustvarjajo manj toplote kot alternativni CCD-senzorji, kar prispeva k daljšemu življenjskemu ciklu senzorja in zmanjšanemu nakopičevanju toplotnega šuma. Nižja poraba energije naredi tudi kamera za strojno vizijo na podlagi CMOS-senzorja bolj primerno za kompaktna ohišja, kjer je toplotno upravljanje omejeno. Za kamera za strojno vizijo, ki naj bi delovala neprekinjeno v zahtevnem industrijskem okolju, bi termične in energetske prednosti CMOS-senzorja morale biti ključnega pomena pri izbiri.

Pogosto zastavljena vprašanja

Ali je kamera za strojno vizijo na podlagi CCD-senzorja vedno boljša za aplikacije z nizko osvetlitvijo?

Ni nujno. Tradicionalno kamera za strojno vizijo s CCD-senzorjem ponuja nižji šum pri branju in visoko enakomernost, kar izboljša zmogljivost v slabih svetlobnih razmerah. Vendar so sodobni CMOS-senzorji za kamere za strojno vizijo z zadnjo osvetlitvijo dosegli primerljive občutljivosti. Najboljša izbira je odvisna od vaših posebnih zahtev glede hitrosti aplikacije, proračuna in časa integracije, ne le od vrste senzorja.

Ali lahko CMOS-kamera za strojno vizijo doseže kakovost slike CCD-kamere v temnih razmerah?

Da, v mnogih primerih lahko CMOS-kamera za strojno vizijo z uporabo trenutne tehnologije senzorjev z zadnjo osvetlitvijo zagotovi kakovost slike, ki ustreza ali se približuje kakovosti CCD-kamere za strojno vizijo v slabih svetlobnih razmerah. Pred končno odločitvijo ocenite krivuljo kvantne učinkovitosti, specifikacijo šuma pri branju in podatke o dinamičnem obsegu za vsako model kamere za strojno vizijo, ki jo obravnavate.

Katera je najpomembnejša specifikacija pri izbiri kamere za strojno vizijo za uporabo v slabih svetlobnih razmerah?

Branje šuma in kvantna učinkovitost sta dve najpomembnejši specifikaciji za kamero za strojno vizijo v razmerah z nizko osvetlitvijo. Kamera za strojno vizijo z nizkim šumom pri branju in visoko kvantno učinkovitostjo bo iz minimalno razpoložljive svetlobe ustvarila najčistejši signal. Dinamični obseg in vrsta zaklenitve sta prav tako pomembna, odvisno od tega, ali mora vaša kamera za strojno vizijo zajemati premikajoče se cilje ali prizore z mešanimi ravni osvetlitve.