焊接質量實時在線圖像檢測相機選擇

科天健

l  CMOS數字工業相機

CMOS是Complimentary Metal Oxide Semiconductor (互補型金屬氧化半導體)的簡稱，CMOS和CCD傳感器一樣，是在Si（硅）半導體材料上制作的。新一代CMOS采用有源像素設計，每個像元由一個能夠將光子轉化成電子的光電二極管、一個電荷/電壓轉換器、一個重置和一個選取晶體管，以及增益放大器組成。CMOS傳感器結構排列上像是一個計算機內存DRAM或平面顯示器，覆蓋在整塊CMOS傳感器上的金屬格子將時鐘信號、讀出信號與縱隊排列輸出信號相互連接。CMOS圖像傳感器的每個像元內集成的電荷/電壓轉換器把像元產生的光電荷轉換后直接輸出電壓信號，以類似計算機內存DRAM的簡單X-Y尋址技術的方式讀出信號，這種方式允許CMOS從整個排列、部分甚至單個像素來讀出信號，這一點是和CCD完全不一樣的， 也是CCD做不到的。另外，內置的電荷/電壓轉換器實時把光電二極管生成的光電荷轉換成電壓信號，原理上消除了“Blooming”和“Smear”效應，使強光對相鄰像元的干擾降到很小。

新一代CMOS傳感器像元內部集成的放大器增益是可程控的，可設定像元內部集成放大器的增益特性，讓其根據入射光信號的強弱調整增益水平，使放大器特性不再僅是線性的。現代CMOS相機具有多種輸出模式：線性模式、雙斜率模式、對數模式和γ校正模式等，不同的輸出模式，對應的信號動態范圍不同，可適應不同的使用要求。如瑞士PhotonFocus采用其專利的LinLogTM 技術后，像元放大器特性增益特性可程控設置為多段類對數特性，動態范圍提高很大，最大動態范圍可達120dB。

在焊接應用中，觀測區域輻射光強的差異很大，光強動態范圍通常大于100dB。對這種光強變化劇烈的應用，CMOS因為沒有“Blooming”，“Smear”效應，通過設定像元放大器增益特性盡可能擴展其動態范圍，獲取焊接熔池的清晰圖像有了可能。