广义的视觉传感器主要由光源、镜头、图像传感器、模数转换器、图像处理器、图像存储器等组成,如图2-23所示,其主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。把光源、摄像机、图像处理器、标准的控制与通信接口等集成一体的视觉传感器常称为一个智能图像采集与处理单元,如图2-24所示,内部程序存储器可存储图像处理算法,并能使用PC机,利用专用组态软件编制各种算法下载到视觉传感器的程序存储器中,视觉传感器将PC机的灵活性、PLC的可靠性、分布式网络技术结合在一起,用这样的视觉传感器和PLC可以更容易地构成机器视觉系统。
狭义的视觉传感器是指图像传感器,它的作用是将镜头所成的图像转变为数字或模拟信号输出,是视觉检测的核心部件,主要有CCD图像传感器和CMOS图像传感器。
一、CCD图像传感器。
CCD( Charge-Coupled Device)中文全称为电荷耦合元件。CCD图像传感器主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成,其外形如图2-25所示。
CCD是一种特殊的半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素。一块CD上包含的像素数越多,它提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样,但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管,能感应光线,并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。
由于CCD的体积小、成本低,所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的视觉传感器都是CCD。
二、CMOS图像传感器。
CMOS( Complementary Metal-Oxide Semiconductor)中文全称为互补性氧化金属半导体。CMOS图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器,主要利用了半导体的光电效应,和CCD的原理相同,其外形如图2-26所示。
CMOS图像传感器与CCD图像传感器一样,可用于自动控制、自动测量、摄影摄像、视觉识别等各个领域。
三、图像传感器主要参数CCD和CMOS图像传感器的主要参数有像素、帧率、靶面尺寸、感光度、信噪比和电子快门等。
(1)像素：图像传感器上有许多感光单元,它们可以将光线转换成电荷,从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中,每一个感光单元都对应着一个像素。所以,像素越多,代表着它能够感测到的物体细节越多,从而图像就越清晰。
(2)帧率：帧率代表单位时间所记录或者播放的图片的数量,连续播放一系列图片就会产生动画效果,根据人的视觉系统,当图片的播放速度大于15幅/s的时候,人眼就基本看不出来图片的跳跃;在达到24~30幅/s之间时就已经基本觉察不到闪烁现象。每秒的帧数或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。
(3)靶面尺寸：靶面尺寸也就是图像传感器感光部分的大小。一般用英寸(lin=0.0254m)来表示,通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度,如常见的有1/3in。靶面越大,意味着通光量越好,而靶面越小则比较容易获得更大的景深。比如1/2in可以有比较大的通光量,而1/4in可以比较容易获得较大的景深。
(4)感光度：感光度代表通过CCD或CMOS以及相关的电子线路感应入射光线的强弱。感光度越高,感光面对光的敏感度就越强,快门速度就越高,这在拍摄运动车辆、夜间监控的时候尤其显得重要。
(5)信噪比：信噪比指的是信号电压对于噪声电压的比值,单位为dB。一般摄像机给出的信噪比值均是AGC(自动增益控制)关闭时的值,因为当AGC接通时,会对小信号进行提升,使得噪声电平也相应提高。信噪比的典型值为45~55dB；若为50dB,则图像有少量噪声,但图像质量良好;若为60dB,则图像质良,不出现噪声,信噪比越大说明对噪声的控制越好。
(6)电子快门：电子快门用来控制图像传感器的感光时间,由于图像传感器的感光值就是信号电荷的积累,感光越长,信号电荷积累时间也越长,输出信号电流的幅值也越大。电子快门越快,感光度越低,因此适合在强光下拍摄。
