فناوری پیشرفته سنسورهای CCD وCMOS،امکان ساخت سازه‌های نیمه هادی دقیق‌تری را فراهم می‌آورد. به منظور کاهش هرچه بیشتر سنسورها از یکwafer ، به عنوان یک روند کلی، اندازه سنسور و پیکسل‌ها کوچک می‌شود.

این امکان وجود دارد، چرا که حساسیت پیکسل‌ها به طور فزاینده‌ای افزایش می‌یابد، به همین اندازه عملکرد نویز الکترونیک نیز بهینه‌سازی می‌شود.

با توجه به محدودیت‌های فنی در این زمینه، مقایسه دوربین‌هایی با سنسورهای مختلف و اندازه‌های پیکسل با همان رزولوشن مفید واقع خواهد شد، بخصوص اگر:

• نور کمی وجود داشته باشد.
• تصاویر با نویز پایین با پاسخ تصویر داینامیک بالا مورد نیاز باشد.
• اندازه‌گیری دقیق انجام شود.

از نظر فنی، سنسور بزرگتر با پیکسل بیشتر تقریبا در هر موردی انتخاب بهتری می‌باشد اما همیشه قیمت بالاتر می‌رود.

اندازه سنسورهای دوربین‌های مداربسته استاندارد

دوربین‌های کلاسیک machine vision به صورتی متفاوت دارای سنسورهایی بزرگ هستند که بسته به دوربین و رزولوشن مورد استفاده قرار می‌گیرند. بیشتر دوربین‌های دارای سنسورهای کوچکتر، باC-mount و یا احتمالا CS mount اپتیکاستفاده می‌شوند.

قطر واقعی لبه خارجیC-mount 1 اینچ است، به عنوان مثال 25.4 میلی متر و لبه رزوه(thread pitch) 1/32 اینچ.

سنسورهای استفاده شده در دوربین‌های استاندارد به وضوح کوچکتر هستند و قطر تصویر آنها از محدوده 4 تا 16 میلی‌متر می‌باشد. اندازه سنسورها در واحد اینچ نشان داده شده است. سنسور 1 اینچ دارای قطر 16 میلی‌متر می‌باشد.

برای توضیح داده‌های سنسورهای CCD و CMOS فقط باید به گذشته بازگشت: پیکاپ تیوب‌های دوربین‌ها‌تا اواسط دهه 1980 استفاده می‌شد و از سنسورهای CCD یا CMOS که در اواخر دهه 1960 اختراع شده بودند، بسیار برتر بودند.

مبدل تصویر واقعی دوربین‌های تیوبی (tube camera) در یک لوله شیشه‌ای خلاء قرار گرفته بود و تیوب‌های مختلف پیکاپ، به ترتیب با توجه به قطر بیرونی لامپ طبقه بندی شدند. قطر سطح حساس به نور درون لوله، البته کمتر بود و حدود دو سوم قطر بیرونی را نشان می‌داد.

سنسورهای CCD معادل که قرار است جایگزین لوله‌های پرتو کاتودی باشند، باید به طور دقیق این سطح را پوشش دهند. CCD، سطح حساس به نور به یک لوله 2/1 اینچ مربوط است، به همین دلیل سنسور 2/1 اینچ نامیده می‌شود، حتی اگر با اندازه حسگر واقعی CCD مطابقت نداشته باشد.

دوربین‌های صنعتی معمولا از سنسورهای “3/1 در مورد رزولوشن 480 x 640 پیکسل و دوربین‌هایی با رزولوشن 1024 x 1280 پیکسل به طور عمده از “2/1 استفاده می‌کنند. در رزولوشن کاملا پرطرفدار 1024 x 1280 پیکسل، اغلب از یک سنسور نسبتا بزرگتر با “1.8 /1با همان اندازه پیکسل استفاده می‌شود.

به طور کلی این روند وجود دارد که سنسورها در بازار دوربین‌ها مرتب کوچک و کوچکتر می‌شوند. اگر یک سنسور VGA استاندارد در بعضی موارد دارای اندازه “3/2 در اواخر دهه 1980 باشد و این اندازه امروزه تنها “3/1 است. مینیاتوریزه‌سازی نتیجه فرآیندهای تولیدی پیشرفته است که امکان عملکرد مشابه در سطوح کوچکتر حساس به نور را میسر می‌سازد.

این تولیدکنندگان قادرند تعداد بیشتری از سنسورها را با قیمت پایینتری از یک wafer تولید کنند. برای مثال یک سنسور “3/1 فقط حدود 40 درصد از سطح یک سنسور “2/1 را دارد و از این رو ارزان‌تر است.

توجه: اگر مجبور به انتخاب بین دو سنسور بزرگ و کوچک برای یک دوربین باشید، لطفا سنسور بزرگتر را انتخاب نمایید، اگر:

• آنها را دقیق اندازه‌گیری کنید، یا بهترین بازرسی‌های سطح را با میزان نویز پایین دوربین انجام دهید.
• برنامه‌های سریع نوردهی را با یک زمان نوردهی کوتاه برنامه‌ریزی کنید.
• از دوربین‌های رنگی که احتمالا جایگزین دوربین‌های تک رنگ هستند استفاده کنید و در صورت دسترسی به نور کم، آنها به 3 تا 4 برابر بیشتر از یک سنسور رنگی به نور نیاز دارند.

سنسورهای با اندازه بزرگ مربوط به دوربین‌های اسکن منطقه‌ای یا دوربین‌های اسکن خطی

در صورت استفاده از دوربین‌های اسکن منطقه‌ای و یا اسکن خطی با رزولوشن بالا، سنسورهای قابل اندازه‌گیری بیشتر با اندازه چند سانتیمتر استفاده می‌شود. ابعاد این سنسورها به طور معمول استاندارد نیستند و از رزولوشن و اندازه پیکسل سنسورها نتیجه می‌گیرند. همه چیز در این مورد مجاز است و تنها با میزان هزینه مدنظر محدود می‌شود.

یک دوربین اسکن خطی با 2048 پیکسل با اندازه μm10 پیکسل، طول خطی 10.48 میلیمتر دارد، در صورت داشتن اندازه پیکسل μm 14 سنسور، طول آن 28.6 میلی متر می‌شود. از سنسوری با قطر 20 میلیمتر، دیگر نمی‌توان از اتصال لنز C-mount استفاده کرد.

این دوربین‌ها معمولا به عنوان اتصال لنز از Nikon bayonet (F-mount)یا M42 به M72 استفاده می‌کنند. فقط به این ترتیب سنسورهای با رزولوشن و پیکسل‌های بالا می‌توانند برای ساخت دوربین‌های اسکن خطی با حداکثر k12پیکسل یا دوربین‌های اسکن منطقه با حداکثر 28 میلیون پیکسل استفاده شوند.

اندازه پیکسل سنسور CCD یاCMOS

در نتیجه‌ی مینیاتوریزه سازیسنسورها، اندازه پیکسل کوچک و کوچکتر می‌شود. سنسورهای دوربین‌های مصرفی (8 تا 12 مگاپیکسلی با قیمت 200 یورو) امروز دارای اندازه‌های پیکسل بیشتر از μm 1.7است، سطح نور فعال در هر پیکسل فقط حدود μm2 3 است. این امر باعث ایجاد نویز بسیار شدید سنسور در شرایط نوری مطلوب می‌شود. در کنترل کیفیت با استفاده از دوربین، این مورد اصلا قابل قبول نیست.

دوربین‌های (C-mount) machine visionبا رزولوشن‌های VGA تا 2 مگاپیکسل به طور معمول دارای پیکسل‌های 4.6 تا 6.5 میکرون با سطوح نور فعال 10 تا 15 برابر بیشتر هستند و در نتیجه منجر به سیگنال‌های بهتری می‌شود. اگر به تصاویر با کمترین نویز و نتایج اندازه‌گیری دقیق نیاز دارید، ترجیحا به دنبال پیکسل‌های سنسور بزرگ باشید، حتی اگر این دوربین‌ها گران‌تر باشند!

پیکسل‌هایی با طول لبه μm 14یا 10 در دوربین‌های اسکن خطی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، با توجه به فرکانس بالای 18 هرتز، حداکثر زمان قرار گرفتن در معرض18000 /1000 برای یک خط تصویر گرفته شده برابر با μs 55. می‌باشد سطح نور فعال پیکسل هرگز در این مورد نمی‌تواند به اندازه کافی بزرگ باشد.

ظرفیت کامل یک پیکسل

این مشخصات فنی نشان می‌دهد که قبل از اشباع شدن کامل یک عنصر پیکسل، چه تعداد الکترون را می‌تواند نگه‌دارد. یک پیکسل با اندازه ساختاری μm 5.5 می‌تواند تقریبا 20،000 الکترون و یک پیکسل μm 7.4 نیز تعداد 40،000 الکترون داشته باشد.

هر چه ظرفیت کامل بیشتر باشد، نسبت حداکثر سیگنال به نویز بهتر خواهد بود. دوربین‌های مصرفی با اندازه‌های پیکسل μm 1.7برای اشباع‌سازی پیکسل، به حدود 1000 فوتون نیاز دارند. در مورد دیجیتالی شدن با 8، 10 یا حتی 12 بیت، تاثیرات دیگر نویز (نویز فوتون، نویز دیجیتال‌سازی، نویز مربوط به تاریکی) می‌تواند مقیاس‌های قابل توجهی فرض شوند، با سیگنال تداخل کنند و بنابراین تاثیر به شدت منفی روی تصویر می‌گذارند.

نکات مهم در Machine Vision

• هرچه اندازه پیکسل کوچکتر باشد، نور بیشتری برای ضبط یک تصویر لازم است. در مورد زمان بازرسی کوتاه، میزان نور ناکافی به راحتی می‌تواند مشکل‌ساز باشد.
• پیکسل‌های کوچک در نور کم، تصاویری شفاف‌تر از پیکسل‌های بزرگ را ارائه می‌دهند، پاسخ تصویر دینامیک کاهش می‌یابد. نویز برای نرم افزار تداخل ایجاد می‌کند. از bright illuminationیا کنترلرهای فلش LED به منظور ایجاد نور بیشتر استفاده می‌شود!
• میزان زیاد مگاپیکسل لزوما به شما کمکی نمی‌کند. ساختارهای پیکسلی کوچک به تصویربرداری با کیفیت بالا، یعنی لنزهای با رزولوشن بالا نیاز دارند. در غیر این صورت، تصاویر تار با تعداد زیادی پیکسل ایجاد می‌شوند، اما هیچ جزئیات ساختاری واقعی وجود ندارد.
• علاوه بر این، هنگامی که عمق میدان به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، پیکسل‌های کوچک دوربین به ردیف بندی بسیار دقیق سنسور نیاز دارند. چرخش یک سنسور μm 5 در هاوزینگ فقط باید نیمی از اندازه (μm 15 1/+ در دیافراگم برابر با 2.8) باشد، به همین شکل، در مورد پیکسل‌هایی با اندازه ساختاری μm 10 است. بنابراین به تامین‌کنندگان با محصولات کیفیت بالا توجه کنید، در غیر اینصورت حتی وجود بهترین سنسور در دوربین نیز بیهوده است.