線陣相機(jī)的選型

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1、關(guān)于線線相機(jī)、鏡頭、光源的選型，歡迎來(lái)電探討線掃描系統(tǒng)的搭建 與選型 隨著機(jī)器視覺(jué)的大規(guī)模普及與工業(yè)流水線速度、 精度的提高，線掃描系統(tǒng)越來(lái)越被視覺(jué)工程師和最終 用戶所認(rèn)可。 首先，我對(duì)線掃描系統(tǒng)做一個(gè)大致的介紹。線掃描系統(tǒng)用于被測(cè)物體和相機(jī) 之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，通過(guò)線掃描相機(jī)高速采集，每次采集完一條線后正好運(yùn) 動(dòng)到下一個(gè)單位長(zhǎng)度，繼續(xù)下一條線的采集，這樣一段時(shí)間下來(lái)就拼成了一張二 維的圖片，也就類似于面陣相機(jī)采集到的圖片， 不同之處是高度可以無(wú)限長(zhǎng)。接 下來(lái)通過(guò)軟件把這幅“無(wú)限長(zhǎng)”的圖片截成一定高度的圖片，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或放 入緩存稍后進(jìn)行處理。 視覺(jué)部分，包括線掃描相機(jī)，鏡頭，光

2、源，圖象采集卡和視覺(jué)軟件； 運(yùn)動(dòng)控制部分，包括馬達(dá)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)動(dòng)控制卡或PLC，為了保證采集的 圖象與輸送帶同步，有時(shí)還會(huì)需要編碼器。 由于線掃描信息量大，所以需要一臺(tái)高性能的工控機(jī)，配置大容量的內(nèi)存和 硬盤，主板要提供 PCI、PCI-E或PCI-X插槽。 一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)面陣視覺(jué)系統(tǒng)的配置選型是按照這樣的順序進(jìn)行的。 ： 相機(jī)+米集卡- >鏡頭- > 光源 線陣項(xiàng)目也類似，根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)精度和速度要求，確定線陣CCD相機(jī)分辨率和 行掃描速度，同時(shí)確定對(duì)應(yīng)的采集卡，只是需要選線陣相機(jī)鏡頭接口 （mount）時(shí)同 時(shí)考慮鏡頭的選型，最后確定光源的選型。 線陣攝像機(jī)（線陣工業(yè)相機(jī)）

3、的選型 計(jì)算分辯率：幅寬除以最小檢測(cè)精度得出每行需要的像素 選定相機(jī)：幅寬除以像素?cái)?shù)得出實(shí)際檢測(cè)精度 每秒運(yùn)動(dòng)速度長(zhǎng)度除以精度得出每秒掃描行數(shù) 根據(jù)以上數(shù)值選定相機(jī) 如幅寬為1600毫米、精度1毫米、運(yùn)動(dòng)速度22000mm/s 相機(jī)：1600/1 = 1600像素 最少2000像素，選定為2k相機(jī) 1600/2048 = 0.8 實(shí)際精度 22000mm/0.8mm = 27.5KHz 應(yīng)選定相機(jī)為2048像素28kHz相機(jī) 線陣鏡頭的選型 為什么在選相機(jī)時(shí)要考慮鏡頭的選型呢？常見(jiàn)的線陣相機(jī)分辨率目前有 1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K 幾種，象素大小有5

4、um,7um,10um,14um幾種，這樣芯 片的大小從 10.240mm (1Kx10um)到 86.016mm (12Kx7um)不等。很顯然, C接口遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，因?yàn)镃接口最大只能接 22 mm 的芯片，也就是 1.3inch。而很多相機(jī)的接口為F,M 42X1，M72X0.75等，不同的鏡頭接口對(duì)應(yīng) 不同的后背焦(Flange distanee)也就決定了鏡頭的工作距離不一樣。 光學(xué)放大倍率(B ,Magnification) 確定了相機(jī)分辨率和像素大小，就可以計(jì)算出芯片尺寸( Sensor size )；芯 片尺寸除以視野范圍(FOV)就等于光學(xué)放大倍率。B =CCD

5、/FOV 接口 (Mount): 主要有C M42x1、F、T2、Leica、M72x0.75等幾種，確定了之后，就可知道對(duì) 應(yīng)接口的長(zhǎng)度。 后背焦(Flange Distanee) 后背焦指相機(jī)接口平面到芯片的距離， 是一個(gè)非常重要的參數(shù)，由相機(jī)廠家 根據(jù)自己的光路設(shè)計(jì)確定。不同廠家的相機(jī)，哪怕是接口一樣，也可能有不同的 后背焦。 有了光學(xué)放大倍率、接口、后背焦，就能計(jì)算出工作距離和節(jié)圈長(zhǎng)度。選 好這些之后，還有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，就是看MTF值是否足夠好？很多視覺(jué)工程師 不了解MTF而對(duì)高端鏡頭來(lái)說(shuō)就必須用MTF來(lái)衡量光學(xué)品質(zhì)。MTF函蓋了對(duì)比度、 分辨率、空間頻率、色差等相當(dāng)豐富的

6、信息，并且非常詳細(xì)地表達(dá)了鏡頭中心和 邊緣各處的光學(xué)質(zhì)量。不僅只是工作距離、視野范圍滿足要求，邊緣的對(duì)比度不 夠好，也要重新考慮是否選擇更高分辨率的鏡頭。 （下圖為一個(gè)典型的MTF表格，橫坐標(biāo)為像高，也就是到圖像中心的距離 除以圖像半徑的百分比；縱坐標(biāo)為圖像對(duì)比度。共有三組曲線，依次為三種不同 分辨率的情況下的對(duì)比度，每一組又有實(shí)線和虛線，實(shí)線為半徑方向的對(duì)比度， 虛線為切線方向的對(duì)比度） 線掃描線陣光源的選型 線掃描項(xiàng)目中，常用的光源有l(wèi)ed光源、鹵素?zé)簦ü饫w光源）、高頻熒光 燈。 鹵素?zé)粢步泄饫w光源，特點(diǎn)是亮度特別高，但缺點(diǎn)也很明顯--壽命短，只有 1000-2000小時(shí)左右，需要經(jīng)

7、常更換燈泡。發(fā)光源是鹵素?zé)襞荩ㄟ^(guò)一個(gè)專門的光 學(xué)透鏡和分光系統(tǒng)，最后通過(guò)光纖輸出，光源功率很大，可高達(dá) 250瓦。鹵素?zé)? 還有一個(gè)名字叫冷光源，因?yàn)橥ㄟ^(guò)光纖傳輸之后，出光的這一頭是不熱的且色溫 穩(wěn)定，適合用于對(duì)環(huán)境溫度比較敏感的場(chǎng)合， 比如二次元量測(cè)儀的照明。用于線 掃描的鹵素?zé)簦３Ｔ诔龉饪诩由喜ＡЬ酃忡R頭， 進(jìn)一步聚焦提高光源亮度。對(duì) 于較長(zhǎng)的線光源，還用幾組鹵素光源同時(shí)為一根光纖提供照明。 高頻熒光燈，發(fā)光原理和日光燈類似，只是燈管是工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，特點(diǎn)是適合 大面積照明，亮度較高， 成本低，但熒光燈最大的缺點(diǎn)是有閃爍、衰減速度快。熒光燈一定需要高 頻電源，也就是光源閃爍的頻率遠(yuǎn)高

8、于相機(jī)采集圖象的頻率（對(duì)線掃描相機(jī)來(lái)說(shuō) 就是行掃描頻率），消除圖像的閃爍。專用的高頻電源可做到 60KHz o LED光源是目前主流的機(jī)器視覺(jué)光源。特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，功耗非 常小。 1,直流供電，無(wú)頻閃。 2，專業(yè)的LED光源壽命非常長(zhǎng)。（如美國(guó) AI的壽命50000小時(shí)亮度不小于50%） 3,亮度也非常高，接近鹵素?zé)舻牧炼?，并且隨著LED工藝的改善不斷提高。（目 前美國(guó)AI線光源亮度高達(dá)90000LUX ） 3, 可以靈活地設(shè)計(jì)成不同結(jié)構(gòu)的線光源，如直射、帶聚光透鏡、背光、同軸以 及類似于碗狀的漫反射線光源。 4, 有多種顏色可選，包括紅、綠、藍(lán)、白，還有紅外、紫外。針對(duì)不

9、同被測(cè)物 體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色也就是不同波長(zhǎng)的光源，獲得更佳的圖像。 線掃描相機(jī)、光源與被測(cè)物體之間的角度分析 以玻璃檢測(cè)為例，需要檢測(cè)的缺陷有：臟點(diǎn)、結(jié)石、雜質(zhì)、氣泡、刮傷， 裂紋，破損等，其大致可以分成兩類，一類在玻璃表面的，一類是玻璃內(nèi)部的。 不同的缺陷，在圖象中表現(xiàn)的出的灰度不一樣，有黑的，有白的，也有灰的，并 且在不同的光源照射角度或者相機(jī)接受角度， 缺陷的對(duì)比度會(huì)變化，如在一個(gè)角 度時(shí)，某一種缺陷的對(duì)比度最好，但其他缺陷可能比較次，甚至根本看不到。這 樣也就需要大量的分析、組合，才能確定最后的光源選型和相機(jī)、光源和被測(cè)物 體之間的相對(duì)角度。如下圖所示，相機(jī)、光

10、源在不同角度安裝，分別測(cè)試。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 臟點(diǎn)，正面光源或背光都較容易凸現(xiàn)； 結(jié)石和雜質(zhì)，需要正面接近法線的照明或背面穿透照明； 氣泡，形狀不固定，且要分析形成的原因以及方向，采用背面照明； 刮傷和破損，正面低角度照明容易凸現(xiàn)。 裂紋，需要背面?zhèn)日? 而且，以上缺陷并不是獨(dú)立的，而是互相影響。統(tǒng)計(jì)、分析如下。 綜合以上因素，最后選用背光斜射和正面照射結(jié)合，相機(jī)接近法線方向安裝。 光源、鏡頭的調(diào)試 線掃描系統(tǒng)，對(duì)光源和相機(jī)來(lái)說(shuō)，有效的工作區(qū)域都是一個(gè)窄條。也就是保 證光源照在這個(gè)最亮的窄條與相機(jī)芯片要完全平行，否則只能拍到相交叉的一個(gè) 亮點(diǎn)。所以機(jī)械安裝、調(diào)試是比較費(fèi)工夫的。同時(shí)由于幅寬比較寬，對(duì)于線光源 有兩個(gè)特別的要求，就是均勻性和直線性。因?yàn)榫€光源不同位置的亮暗差異， 會(huì) 直接影響圖象的亮度高低，這一點(diǎn)led比鹵素?zé)舾每刂?。出光部分的直線性， 取決于LED發(fā)光角度的一致性、聚光透鏡的直線性以及線光源外殼的直線性。 由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，客戶總是希望花多一些時(shí)間去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。但如我們 前面講到的相機(jī)、光源、被測(cè)物體的相對(duì)角度測(cè)試、分析，許多因素會(huì)直接影響 到檢測(cè)效果。所以我們建議先做實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，有了方案之后，再去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，這 樣會(huì)最有把握，也能提高調(diào)試效率。畢竟服務(wù)也是一種成本。 線掃描系統(tǒng)除了機(jī)械結(jié)構(gòu)之外，其主要組成部分還包括機(jī)器視覺(jué)和運(yùn) 動(dòng)控制。