發布日期：2022-10-09 點擊率：89
CCD
視覺傳感器在激光焊接中的應用
在工業環境中，
機器視覺應用日臻成熟，
尤其在危險工作環境或人工視覺難
以滿足要求的場合，用機器視覺來替代人工視覺提高了作業的準確性和安全性。
在激光加工領域機器視覺技術與激光加工技術開始融合，
通過機器視覺的定位和
引導實現高精度加工，
降低了對高成本精密卡具的需求，
提升設備精度，
降低加
工成本，本文簡單介紹了
CCD
視覺傳感器在激光焊接中的應用。
關鍵字：機器視覺檢測系統
;CCD
視覺傳感器
;
激光焊接
機器視覺檢測系統就是用工業相機代替人眼睛去完成識別、
測量、
定位、
判
斷等功能。
視覺檢測是指通過機器視覺產品將被攝取目標轉換成圖像信號，
傳送
給專用的圖像采集系統和圖像處理系統，
根據像素分布和亮度、
顏色等信息，
轉
變成數字化信號。
CCD
視覺傳感器使用高感光度的半導體材料制成，能把光線
轉變成電荷，
通過模數轉換器芯片轉換成數字信號，
數字信號經過壓縮以后由相
機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存，因而可以便捷地把數據傳輸給計算機，
并借助于計算機進行圖像處理。
激光加工是一種應用廣泛的工業加工技術，
利用對激光器的運動控制，
實現
高精度的打標、切割、雕刻、焊接等功能。隨著激光加工的工藝升級，傳統技術
已經不能滿足工業加工對高精度高速度的要求，
這使機器視覺檢測技術與激光加
工技術開始融合，
通過視覺的定位和引導實現高精度加工，
降低了對高成本精密
卡具的需求，提升設備精度，降低加工成本。
一、
CCD
視覺傳感器對于焊縫圖像的采集
CCD
視覺傳感器是基于仿生學研制的，在整個焊縫跟蹤系統中就相當于人
的眼睛，所以視覺傳感器的精度對整個焊縫跟蹤系統的精度來說至關重要。
CCD
視覺傳感器需要滿足的是在實際焊接作業環境條件下的焊縫自動跟蹤
機器人系統對其提出的一系列要求，
例如：
可以對不同焊縫坡口形狀以及不同焊
縫坡口厚度的焊縫進行跟蹤焊接
;
可以適用于持續的高溫輻射、飛濺煙塵干擾、
強烈的弧光、燃燒的氣體等一些惡劣的焊接環境
;
可以從激光視覺傳感器中獲取
到清晰可見的焊縫結構光原始圖像等，這就決定了焊接過程中焊縫圖像的特殊
性。
在基于視覺傳感器的焊縫跟蹤系統中，
傳感器攝取的焊縫圖像經空間采樣和
模數轉換后，
以灰度矩陣的形式存入計算機存儲器得到數字圖像，
所獲得的圖像
因為存在許多噪聲和傳輸過程中的畸變，
無法直接獲取有用的焊縫位置信息，
所
以必須對采集的數字圖像運用濾波去噪、
圖像分割、
邊緣檢測等一系列圖像處理
方法來解決這個問題，
從而獲取有用的信息。
基本的圖像處理一般包括圖像預處
理、圖像分割和圖像識別等，最終獲取焊縫位置信息。
CCD
傳感器采用雙反射鏡來獲取焊縫圖像，雙反射鏡式激光視覺傳感器獲
取焊縫圖像的光路圖如圖：
摘要：
本發明涉及一種基于CCD傳感器的激光輔助校準方法及裝置,方法包括根據電路板上焊盤的初步位置,將攝像頭從起始位置移動到焊盤所在的坐標,控制位于攝像頭一側的激光頭移動到與攝像頭相同的坐標位置上,控制激光頭掃描焊盤孔洞的邊界,并將邊界的坐標信息上傳到計算模塊;根據采集到的多個邊界坐標信息擬合,估算孔洞的中心位置;對比中心位置和攝像頭的初步位置,計算出偏差數據,根據偏差數據進行校準;本發明基于CCD傳感器,利用攝像頭對準初次計算的焊盤孔洞坐標,然后通過激光頭獲取孔洞的邊界坐標,然后擬合獲得孔洞的中心坐標,然后根據偏差值進行校準,可以有效的提升設備運行的準確度和精度.
展開
CMOS結構相對簡單，與現有的大規模集成電路生產工藝相同，從而生產成本可以降低。從原理上，CMOS的信號是以點為單位的電荷信號，而CCD是以行為單位的電流信號，前者更為敏感，速度也更快，更為省電。現在高級的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS工藝還不是十分成熟，普通的 CMOS 一般分辨率低而成像較差。
目前的情況是，許多低檔入門型的數碼相機使用廉價的低檔CMOS芯片，成像質量比較差。普及型、高級型及專業型數碼相機使用不同檔次的CCD，個別專業型或準專業型數碼相機使用高級的CMOS芯片。代表成像技術未來發展的X3芯片實際也是一種CMOS芯片。CCD與CMOS孰優孰劣不能一概而論，但一般而言，普及型的數碼相機中使用CCD芯片的成像質量要好一些。由兩種感光器件的工作原理可以看出，CCD(電荷藕合器件圖像傳感器：Charge Coupled Device)，它的優勢在于成像質量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。 在相同分辨率下，CMOS(互補性氧化金屬半導體：Complementary metal-Oxide Semiconductor)價格比CCD便宜，但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作為感應器;CMOS感應器則作為低端產品應用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產的攝像頭使用CCD感應器，廠商一定會不遺余
力地以其作為賣點大肆宣傳，甚至冠以“數碼相機”之名。一時間，是否具有CCD感應器變成了人們判斷數碼相機檔次的標準之一。
CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電，不像由二極管組成的CCD，CMOS
電路幾乎沒有靜態電量消耗，只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數碼相機是"電老虎"的不良印象。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現雜點。
此外，CMOS與CCD的圖像數據掃描方法有很大的差別。例如，如果分辨率為300萬像素，那么CCD傳感器可連續掃描300萬個電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個人傳給另一個人，并且只有在最后一個數據掃描完成之后才能將信號放大。CMOS傳感器的每個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此，CMOS傳感器可以在每個像素基礎上進行信號放大，采用這種方法可節省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進行快速數據掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術。
北京科天健圖像技術有限公司
公司與作者
公司
Photonfocus AG, Lachen Schweiz
Photonfocus 股份公司是一家研發、銷售 CMOS 攝像頭和
攝像頭模塊的企業。 這些用于圖像處理系統的核心部件均基
于 Photonfocus 公司的 LinLog? CMOS 圖像傳感器技術。
Photonfocus 公司利用 LinLog? 技術以及寬帶讀出電路結
構，研制出讀出速度極快、具有高動態范圍且特性曲線可設置
的傳感器。這些產品可應用于工業圖像處理、安全技術以及
汽車技術領域。
詳細介紹請訪問：
作者
Peter Mario Schwider
Peter M. Schwider 是攝像頭技術、光學與光譜學領域的專
家， 具有長年研發工業、醫療用 CCD 攝像頭以及圖像處理系
統的豐富經驗， 自從 1998 年以來，一直在 CSEM 負責
CMOS 圖像傳感器的調試以及 CMOS 圖像傳感器測試環境的
研發工作。繼完成 CMOS 攝像頭的研發工作之后，于 2001
年 4 月創建 Photonfocus 股份公司。他的身份是技術總監
（CTO），負責 CMOS 圖像傳感器以及攝像頭的研發工作。
Dr. Peter Mario Schwider
Photonfocus AG
Bahnhofplatz 10
CH-8853 Lachen SZ
Tel.: 0041 55 451 0004
E-Mail: schwider@
北京科天健圖像技術有限公司 RockeTech Technologies Ltd. Tel : +86-10
Addr:北京海淀區上地信息路26 號中關村創業大廈706 室 Zip:
Website: Email：yjj@
北京科天健圖像技術有限公司
激光應用系統中的 CCD 和 CMOS 圖像傳感器
以往夸大其詞的對比方式將這兩種傳感器技術描繪成了競爭關系。且對 CCD 和 CMOS 圖像傳感器進行對比
時所采用的是極其粗糙、簡化的假設，因此常常會導致誤判。 這兩種技術其實均有其優點和缺點。 決定偵測
器數量的只有用途，同時始終必須進行折衷考慮，因為并不存在絕對理想的圖像傳感器。 選擇某種傳感器的
關鍵因素并非是對圖像的主觀印象，而是在于：用這種傳感器能夠解決測量任務或者質量控制領域所提出的問
題嗎？ 圖像處理算法或者測量原理的精度與穩定性才是決定可以對哪些進行折衷考慮的因素。
CCD 圖像傳感器（Charge-Coupled Devices，電荷耦合器件）是廉價計算機存儲器研發過程中的延伸產
物。 早在 1974 年， Fairchild Electronic 公司就已生產出首批小尺寸的 CCD 圖像傳感器， 并且自 1975
年以來，就已應用于電視攝像機之中。
這種傳感器的原理是：利用光電二極管偵測光子，電荷包被轉移到移位鏈末端 （模擬傳感器輸出端）上的傳感
器讀出放大器，以此來讀出圖像信息。在讀出放大器中將電荷轉變成可作為視頻信號進一步進行處理的電
壓。
CMOS 圖像傳感器（Complementary metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）的制造方
法與使用標準 CMOS 工藝所制成的大多數電子娛樂設備的芯片一樣。首批無源像素傳感器（PPS）在 80 年
代研制成功。 1993 年已有人在文獻中首次提到了有源像素傳感器 （APS ），一直到 1998 年才推向市場。
根據 APS 原理制成的 CMOS 圖像傳感器由一種像素矩陣構成，其中含有用來實現快門功能、以及對像素進
行選擇以便讀出像素信息的光電二極管和晶體管。除了像素矩陣和讀出電路結構之外，還可以將攝像功能直
接集成在傳感器上，因此可以利用 CMOS 工藝來實現單芯片解決方案。
如果所涉及的是測量技術與質量控制方面的應用，那么對這兩種傳感器技術進行對比時，就必須以同等的傳感
器功能（攝像功能）為出發點來考慮問題。 已知的 CCD 傳感器有三種讀出電路結構 全幀傳感器（Full-
frame-Sensor）沒有快門，因此在讀出傳感器信號的過程中，會由于再次曝光造成圖像信息失真。 在配有
全幀傳感器的攝像頭中，由機械式快門或者電光快門執行快門功能。幀轉移傳感器則在開始讀出時將圖像信
息逐行移入遮蔽區之中，然后再將其讀出。在這一轉移過程中，也會因為再次曝光造成圖像信息失真。行間
轉移傳感器在
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