焊接质量实时在线图像检测相机选择

科天健

l  CMOS数字工业相机

CMOS是Complimentary Metal Oxide Semiconductor (互补型金属氧化半导体)的简称，CMOS和CCD传感器一样，是在Si（硅）半导体材料上制作的。新一代CMOS采用有源像素设计，每个像元由一个能够将光子转化成电子的光电二极管、一个电荷/电压转换器、一个重置和一个选取晶体管，以及增益放大器组成。CMOS传感器结构排列上像是一个计算机内存DRAM或平面显示器，覆盖在整块CMOS传感器上的金属格子将时钟信号、读出信号与纵队排列输出信号相互连接。CMOS图像传感器的每个像元内集成的电荷/电压转换器把像元产生的光电荷转换后直接输出电压信号，以类似计算机内存DRAM的简单X-Y寻址技术的方式读出信号，这种方式允许CMOS从整个排列、部分甚至单个像素来读出信号，这一点是和CCD完全不一样的， 也是CCD做不到的。另外，内置的电荷/电压转换器实时把光电二极管生成的光电荷转换成电压信号，原理上消除了“Blooming”和“Smear”效应，使强光对相邻像元的干扰降到很小。

新一代CMOS传感器像元内部集成的放大器增益是可程控的，可设定像元内部集成放大器的增益特性，让其根据入射光信号的强弱调整增益水平，使放大器特性不再仅是线性的。现代CMOS相机具有多种输出模式：线性模式、双斜率模式、对数模式和γ校正模式等，不同的输出模式，对应的信号动态范围不同，可适应不同的使用要求。如瑞士PhotonFocus采用其专利的LinLogTM 技术后，像元放大器特性增益特性可程控设置为多段类对数特性，动态范围提高很大，最大动态范围可达120dB。

在焊接应用中，观测区域辐射光强的差异很大，光强动态范围通常大于100dB。对这种光强变化剧烈的应用，CMOS因为没有“Blooming”，“Smear”效应，通过设定像元放大器增益特性尽可能扩展其动态范围，获取焊接熔池的清晰图像有了可能。