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機(jī)器視覺之線陣相機(jī)的知識介紹

一、工業(yè)相機(jī)

工業(yè)相機(jī)或者稱為工業(yè)攝像頭,是為了與民用和交通用的相機(jī)(攝像頭)區(qū)分而取名。工業(yè)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在具有非常高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力并且適用于7*24小時的不間斷工業(yè)工作環(huán)境。工業(yè)相機(jī)的出現(xiàn)不僅提高了工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量、提高工廠生產(chǎn)效益,還降低了勞動力成本。

早期的的工業(yè)相機(jī)所采用的圖像傳感器為CCD(Charge Coupled Device),它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體,是典型的固體成像器件。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號,而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包,而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。一個完整的CCD相機(jī)主要有光學(xué)微透鏡、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬和數(shù)字信號處理電路等組成。早期的CCD相機(jī)具有成像品質(zhì)高,圖像穩(wěn)定,彩色還原度高等優(yōu)點(diǎn)。CCD相機(jī)的缺點(diǎn)也非常的明顯,主要表現(xiàn)為像元無法做到很小,功耗比較大。CCD傳感器的缺點(diǎn)導(dǎo)致其無法拓展**的像素分辨率。

為了解決CCD相機(jī)自身缺陷,科學(xué)家開發(fā)了基于CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)技術(shù)的圖像傳感器。隨著超大規(guī)模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術(shù)的發(fā)展,CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上,還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點(diǎn)在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應(yīng)用。CMOS圖像傳感器**的成像性能也最終導(dǎo)致了很多大廠停產(chǎn)了CCD圖像傳感器,轉(zhuǎn)而大規(guī)模生產(chǎn)基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器。

二、線陣相機(jī)

線陣相機(jī)是工業(yè)相機(jī)的一種,顧名思義就是只有一行或者只有幾行(最多256行)但是又有很多列像素的相機(jī)。

例如我們經(jīng)常使用的2K線陣相機(jī),其分辨率為2048*1像素,像素排布為行數(shù)為1行,列數(shù)為2048列,像元布局圖如下:

機(jī)器視覺之線陣相機(jī)的知識介紹-機(jī)器視覺_視覺檢測設(shè)備_3D視覺_缺陷檢測

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線陣傳感器示意圖

三、線陣相機(jī)的分類

線陣相機(jī)按照像素列數(shù)主要分為2K、4K、6K、8K、9K、12K、16K、18K等分辨率相機(jī)。

按照顏色分為彩色線陣相機(jī)和黑白線陣相機(jī)。

按照線陣相機(jī)的行數(shù)多少主要分為單線線陣相機(jī)和TDI(Time Delay Integration)線陣相機(jī),其中TDI相機(jī)主要適用于高速移動的物體或者反射率低的樣品。

四、線陣相機(jī)主要參數(shù)

1)線陣相機(jī)分辨率,圖像傳感器上像元的個數(shù),以長×寬的方式表示,例如2K相機(jī)的分辨率為2048*1。

2) 行頻,表示每秒鐘線陣相機(jī)可以采集最大的行數(shù)。

比如像素為8192*1, 行頻為16KHz, 那么此這個線陣相機(jī)每秒可以采集的最大圖像分辨率為8192*16000。

3)像元大小,線陣相機(jī)的主流像元為14μm、7μm、5μm、3.5μm等,不同的像元大小感光率會有差異。像元越大,圖像傳感器的感光靈敏度**,動態(tài)范圍也越大。在微光環(huán)境下,可以優(yōu)先選擇像元大的線陣相機(jī)。

4)像元數(shù)據(jù)格式,主要有8bit、10bit、12bit的等數(shù)據(jù)格式。

5)相機(jī)曝光,相機(jī)的曝光設(shè)置范圍。其中包含最小的曝光值,以及可以設(shè)置的曝光數(shù)值區(qū)間,其中最大的曝光數(shù)值為行頻的倒數(shù)。如行頻設(shè)置為10000Hz,那么最大曝光時間為1/10000秒,也就是最大曝光時間只能設(shè)置到100μs。

五、線陣相機(jī)工作方式

線陣相機(jī)在工作時需要保證被拍攝樣品和線陣相機(jī)相對運(yùn)動,這樣才能采集到一幅完整清晰的圖像。線陣相機(jī)通過內(nèi)部觸發(fā)的方式或者編碼器信號觸發(fā)的方式,觸發(fā)相機(jī)采集一行的圖像數(shù)據(jù),多行的圖像數(shù)據(jù)最后組成完整的一幀圖像,如下圖所示:

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六、如何選擇基于線陣相機(jī)的視覺系統(tǒng)

線陣相機(jī)的選擇取決于傳感器尺寸和線速度(也稱作行頻)

首先確認(rèn)線陣相機(jī)的分辨率也就是線陣傳感器的尺寸,根據(jù)奈奎斯特采樣定律,瑕疵或者目標(biāo)物分辨需要2.5個像素。例如:FOV = 300mm,最小檢測尺寸為0.12mm。那么最少像素個數(shù)=FOV/最小檢測尺寸,該例子中需要的分辨率為(300/0.12)*2.5=6250pixels。因此需要選擇8K分辨率相機(jī),當(dāng)然也可以選擇2個4K分辨率相機(jī)。

其次需要確認(rèn)線陣相機(jī)的行頻,其中需要知道三個已知量,分別為圖像像素尺寸和產(chǎn)品線速度。例如:視野300mm,速度500mm/s,所用相機(jī)為8K相機(jī),由此計算圖像的像素尺寸=FOV/傳感器分辨率,即300/8192=0.037mm/pixels。需要的最低行頻為500/0.037=13653Hz。

使用線陣相機(jī)時需要注意平臺運(yùn)動速度和相機(jī)采集速度的匹配,如果不匹配會導(dǎo)致圖像的拉伸和壓縮,如下圖所示:

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七、基于線陣相機(jī)視覺系統(tǒng)組成

基于線陣相機(jī)的視覺系統(tǒng)除了控制和分析的主機(jī)系統(tǒng)及固定用的機(jī)械機(jī)構(gòu)外,主要分為視覺和運(yùn)動控制兩大部分。

視覺部分主要組件主要包括:線陣相機(jī)(Line scan camera),工業(yè)鏡頭(Lens),線陣光源(light),圖像采集卡(Frame grabber)。

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線陣相機(jī)

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工業(yè)鏡頭

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圖像采集卡

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數(shù)據(jù)線纜

運(yùn)動控制部分主要包括:馬達(dá),馬達(dá)驅(qū)動器,旋轉(zhuǎn)編碼器,運(yùn)動控制卡或PLC,還有觸發(fā)用的光電傳感器等。

八、線陣相機(jī)使用案例

傳統(tǒng)上,線陣相機(jī)視覺系統(tǒng)主要用于造紙業(yè)、印刷業(yè)、鋼鐵以及玻璃制造行業(yè)等。其主要視覺配置如下圖所示:

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線陣相機(jī)可以用來做瓶體標(biāo)簽的缺陷檢測,如下圖所示:

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隨著液晶行業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展,線陣相機(jī)也越來越多的用在液晶面板和半導(dǎo)體晶圓的缺陷檢測和尺寸測量等。

參考文獻(xiàn):《線陣相機(jī)的原理和應(yīng)用》


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