線陣相機的選型

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1、關(guān)于線線相機、鏡頭、光源的選型，歡迎來電探討線掃描系統(tǒng)的搭建 與選型 隨著機器視覺的大規(guī)模普及與工業(yè)流水線速度、 精度的提高，線掃描系統(tǒng)越來越被視覺工程師和最終 用戶所認可。 首先，我對線掃描系統(tǒng)做一個大致的介紹。線掃描系統(tǒng)用于被測物體和相機 之間有相對運動的場合，通過線掃描相機高速采集，每次采集完一條線后正好運 動到下一個單位長度，繼續(xù)下一條線的采集，這樣一段時間下來就拼成了一張二 維的圖片，也就類似于面陣相機采集到的圖片， 不同之處是高度可以無限長。接 下來通過軟件把這幅“無限長”的圖片截成一定高度的圖片，進行實時處理或放 入緩存稍后進行處理。 視覺部分，包括線掃描相機，鏡頭，光

2、源，圖象采集卡和視覺軟件； 運動控制部分，包括馬達，馬達驅(qū)動器，運動控制卡或PLC，為了保證采集的 圖象與輸送帶同步，有時還會需要編碼器。 由于線掃描信息量大，所以需要一臺高性能的工控機，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。 一般來說，一個面陣視覺系統(tǒng)的配置選型是按照這樣的順序進行的。 ： 相機+米集卡- >鏡頭- > 光源 線陣項目也類似，根據(jù)系統(tǒng)的檢測精度和速度要求，確定線陣CCD相機分辨率和 行掃描速度，同時確定對應(yīng)的采集卡，只是需要選線陣相機鏡頭接口 （mount）時同 時考慮鏡頭的選型，最后確定光源的選型。 線陣攝像機（線陣工業(yè)相機）

3、的選型 計算分辯率：幅寬除以最小檢測精度得出每行需要的像素 選定相機：幅寬除以像素數(shù)得出實際檢測精度 每秒運動速度長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 如幅寬為1600毫米、精度1毫米、運動速度22000mm/s 相機：1600/1 = 1600像素 最少2000像素，選定為2k相機 1600/2048 = 0.8 實際精度 22000mm/0.8mm = 27.5KHz 應(yīng)選定相機為2048像素28kHz相機 線陣鏡頭的選型 為什么在選相機時要考慮鏡頭的選型呢？常見的線陣相機分辨率目前有 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接口遠遠不能滿足要求，因為C接口最大只能接 22 mm 的芯片，也就是 1.3inch。而很多相機的接口為F,M 42X1，M72X0.75等，不同的鏡頭接口對應(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) 確定了相機分辨率和像素大小，就可以計算出芯片尺寸( 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 應(yīng)接口的長度。 后背焦(Flange Distanee) 后背焦指相機接口平面到芯片的距離， 是一個非常重要的參數(shù)，由相機廠家 根據(jù)自己的光路設(shè)計確定。不同廠家的相機，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，就能計算出工作距離和節(jié)圈長度。選 好這些之后，還有一個重要的環(huán)節(jié)，就是看MTF值是否足夠好？很多視覺工程師 不了解MTF而對高端鏡頭來說就必須用MTF來衡量光學(xué)品質(zhì)。MTF函蓋了對比度、 分辨率、空間頻率、色差等相當豐富的

6、信息，并且非常詳細地表達了鏡頭中心和 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。 （下圖為一個典型的MTF表格，橫坐標為像高，也就是到圖像中心的距離 除以圖像半徑的百分比；縱坐標為圖像對比度。共有三組曲線，依次為三種不同 分辨率的情況下的對比度，每一組又有實線和虛線，實線為半徑方向的對比度， 虛線為切線方向的對比度） 線掃描線陣光源的選型 線掃描項目中，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，特點是亮度特別高，但缺點也很明顯--壽命短，只有 1000-2000小時左右，需要經(jīng)

7、常更換燈泡。發(fā)光源是鹵素?zé)襞?，通過一個專門的光 學(xué)透鏡和分光系統(tǒng)，最后通過光纖輸出，光源功率很大，可高達 250瓦。鹵素?zé)? 還有一個名字叫冷光源，因為通過光纖傳輸之后，出光的這一頭是不熱的且色溫 穩(wěn)定，適合用于對環(huán)境溫度比較敏感的場合， 比如二次元量測儀的照明。用于線 掃描的鹵素?zé)?，常常在出光口加上玻璃聚光鏡頭， 進一步聚焦提高光源亮度。對 于較長的線光源，還用幾組鹵素光源同時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)級產(chǎn)品，特點是適合 大面積照明，亮度較高， 成本低，但熒光燈最大的缺點是有閃爍、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高

8、于相機采集圖象的頻率（對線掃描相機來說 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器視覺光源。特點是壽命長，穩(wěn)定性好，功耗非 常小。 1,直流供電，無頻閃。 2，專業(yè)的LED光源壽命非常長。（如美國 AI的壽命50000小時亮度不小于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AI線光源亮度高達90000LUX ） 3, 可以靈活地設(shè)計成不同結(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、白，還有紅外、紫外。針對不

9、同被測物 體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色也就是不同波長的光源，獲得更佳的圖像。 線掃描相機、光源與被測物體之間的角度分析 以玻璃檢測為例，需要檢測的缺陷有：臟點、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接受角度， 缺陷的對比度會變化，如在一個角 度時，某一種缺陷的對比度最好，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、光源和被測物 體之間的相對角度。如下圖所示，相機、光

10、源在不同角度安裝，分別測試。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 臟點，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，以上缺陷并不是獨立的，而是互相影響。統(tǒng)計、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，相機接近法線方向安裝。 光源、鏡頭的調(diào)試 線掃描系統(tǒng)，對光源和相機來說，有效的工作區(qū)域都是一個窄條。也就是保 證光源照在這個最亮的窄條與相機芯片要完全平行，否則只能拍到相交叉的一個 亮點。所以機械安裝、調(diào)試是比較費工夫的。同時由于幅寬比較寬，對于線光源 有兩個特別的要求，就是均勻性和直線性。因為線光源不同位置的亮暗差異， 會 直接影響圖象的亮度高低，這一點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)場環(huán)境比較復(fù)雜，客戶總是希望花多一些時間去現(xiàn)場調(diào)試。但如我們 前面講到的相機、光源、被測物體的相對角度測試、分析，許多因素會直接影響 到檢測效果。所以我們建議先做實驗室測試，有了方案之后，再去現(xiàn)場調(diào)試，這 樣會最有把握，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)除了機械結(jié)構(gòu)之外，其主要組成部分還包括機器視覺和運 動控制。