線掃相機(jī)相關(guān)規(guī)格說(shuō)明

admin2022-09-30

線掃相機(jī)相關(guān)規(guī)格說(shuō)明

工業(yè)線陣相機(jī)與面陣相機(jī)特點(diǎn)分析

微視的一款線陣相機(jī)(Microview MVC1024DLM-GE35);所以把線陣、面陣相機(jī)的一些區(qū)別學(xué)習(xí)下:

了解線陣相機(jī)與面陣相機(jī)的基本區(qū)別

     工業(yè)相機(jī)按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可分為面陣相機(jī)和線陣相機(jī),面陣、線陣相機(jī)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),在用途不同的情況下選擇合適的傳感器的結(jié)構(gòu)工業(yè)相機(jī),至關(guān)重要。

 

1、類(lèi)型區(qū)分

 

面陣相機(jī):實(shí)現(xiàn)的是像素矩陣拍攝。相機(jī)拍攝圖像中,表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)不是由像素多少?zèng)Q定的,是由分辨率決定的。分辨率是由選擇的鏡頭焦距決定的,同一種相機(jī),選用不同焦距的鏡頭,分辨率就不同。 像素的多少不決定圖像的分辨率(清晰度),那么大像素相機(jī)有何好處呢?答案只有一個(gè):減少拍攝次數(shù),提高測(cè)試速度。

 

線陣相機(jī):顧名思義是呈“線”狀的。雖然也是二維圖像,但極長(zhǎng)。幾K的長(zhǎng)度,而寬度卻只有幾個(gè)象素的而已。一般上只在兩種情況下使用這種相機(jī):一、被測(cè)視野為細(xì)長(zhǎng)的帶狀,多用于滾筒上檢測(cè)的問(wèn)題。二、需要極大的視野或極高的精度。在第二種情況下(需要極大的視野或極高的精度),就需要用激發(fā)裝置多次激發(fā)相機(jī),進(jìn)行多次拍照,再將所拍下的多幅“條”形圖象,合并成一張巨大的圖。因此,用線陣型相機(jī),必須用可以支持線陣型相機(jī)的采集卡。 線陣型相機(jī)價(jià)格貴,而且在大的視野或高的精度檢測(cè)情況下,其檢測(cè)速度也慢--一般相機(jī)的圖象是 400K~1M,而合并后的圖象有幾個(gè)M這么大,速度自然就慢了。慢功出細(xì)活嘛。由于以上這兩個(gè)原因,線陣相機(jī)只用在極特殊的情況下。 

 

2、應(yīng)用對(duì)比:

 

面陣相機(jī):應(yīng)用面較廣,如面積、形狀、尺寸、位置,甚至溫度等的測(cè)量。

線陣相機(jī):主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研與安全領(lǐng)域的圖象處理。典型應(yīng)用領(lǐng)域是檢測(cè)連續(xù)的材料,例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測(cè)的物體通常勻速運(yùn)動(dòng) , 利用一臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)對(duì)其逐行連續(xù)掃描 , 以達(dá)到對(duì)其整個(gè)表面均勻檢測(cè)??梢詫?duì)其圖象一行一行進(jìn)行處理 , 或者對(duì)由多行組成的面陣圖象進(jìn)行處理。另外線陣相機(jī)非常適合測(cè)量場(chǎng)合,這要?dú)w功于傳感器的高分辨率,它可以準(zhǔn)確測(cè)量到微米。

 

3、優(yōu)點(diǎn)對(duì)比:

 

面陣相機(jī):可以獲取二維圖像信息,測(cè)量圖像直觀。

 

線陣相機(jī):一維像元數(shù)可以做得很多,而總像元素較面陣相機(jī)少,而且像元尺寸比較靈活,幀幅數(shù)高,特別適用于一維動(dòng)態(tài)目標(biāo)的測(cè)量。而且線陣分辨率高,價(jià)格低廉,可滿足大多數(shù)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)要求。

 

4、缺點(diǎn)對(duì)比:

 

面陣相機(jī):像元總數(shù)多,而每行的像元數(shù)一般較線陣少,幀幅率受到限制,因此其應(yīng)用面較廣,如面積、形狀、尺寸、位置,甚至溫度等的測(cè)量。由于生產(chǎn)技術(shù)的制約,單個(gè)面陣的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的需求。

 

線陣相機(jī):要用線陣獲取二維圖像,必須配以掃描運(yùn)動(dòng),而且為了能確定圖像每一像素點(diǎn)在被測(cè)件上的對(duì)應(yīng)位置,還必須配以光柵等器件以記錄線陣每一掃描行的坐標(biāo)。一般看來(lái),這兩方面的要求導(dǎo)致用線陣獲取圖像有以下不足:圖像獲取時(shí)間長(zhǎng),測(cè)量效率低;由于掃描運(yùn)動(dòng)及相應(yīng)的位置反饋環(huán)節(jié)的存在,增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本;圖像精度可能受掃描運(yùn)動(dòng)精度的影響而降低,最終影響測(cè)量精度。

 

另:線陣相機(jī)與面陣相機(jī)的選型

 

     首先了解一下線掃描系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)一般可用于被測(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(lèi)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(pán),主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽?! ?/p>

 

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)+采集卡->鏡頭->光源  

 

    線陣項(xiàng)目也類(lèi)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))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5um,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)椋媒涌谧畲笾荒芙印?2 mm 的芯片,也就是1.3inch。而很多相機(jī)的接口為F,M42X1,M72X0.75等,不同的鏡頭接口對(duì)應(yīng)不同的后背焦(Flange distance),也就決定了鏡頭的工作距離不一樣。  

 

1、光學(xué)放大倍率(β,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。β=CCD/FOV  

 

2、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。            

 

3、后背焦(Flange Distance)  

 

    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涵蓋了對(duì)比度、分辨率、空間頻率、色差等相當(dāng)豐富的信息,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?!    ?/p>

 

線掃描線陣光源的選型    

 

    線掃描項(xiàng)目中,常用的光源有LED光源、鹵素?zé)簦ü饫w光源)、高頻熒光燈?!  ?/p>

 

    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)常更換燈泡。發(fā)光源是鹵素?zé)襞?,通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)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)暨€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?!  ?/p>

 

    高頻熒光燈,發(fā)光原理和日光燈類(lèi)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(zhuān)用的高頻電源可做到60KHz?! ?/p>

 

    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(zhuān)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)舻牧炼龋⑶译S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)

 

4,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(lèi)似于碗狀的漫反射線光源?! ?/p>

 

5,有多種顏色可選,包括紅、綠、藍(lán)、白,還有紅外、紫外。針對(duì)不同被測(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?! ?/p>

 

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(lèi),一類(lèi)在玻璃表面的,一類(lèi)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)日铡  ?/p>

 

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?! ?/p>

 

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?!  ?/p>

 

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。

 

 面陣相機(jī)和鏡頭選型

 

已知:被檢測(cè)物體大小為A*B,要求能夠分辨小于C,工作距為D 解答:

 

1. 計(jì)算短邊對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù) E = B/C,相機(jī)長(zhǎng)邊和短邊的像素?cái)?shù)都要大于E;

 

2. 像元尺寸 = 物體短邊尺寸B / 所選相機(jī)的短邊像素?cái)?shù);

 

3. 放大倍率 = 所選相機(jī)芯片短邊尺寸 / 相機(jī)短邊的視野范圍;

 

4. 可分辨的物體精度 = 像元尺寸 / 放大倍率 (判斷是否小于C);

 

5. 物鏡的焦距 = 工作距離 / (1+1 / 放大倍率) 單位:mm;

 

6. 像面的分辨率要大于 1 / (2*0.1*放大倍率) 單位:lpmm ;  

 

 以上只針對(duì)鏡頭的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選擇,其他如畸變、景深環(huán)境等,可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行選擇。

*針對(duì)速度和曝光時(shí)間的影響,物體是否有拖影  

已知:確定每次檢測(cè)的范圍為80mm*60mm,200萬(wàn)像素 CCD 相機(jī)(1600*1200),相機(jī)或物體的運(yùn)動(dòng)速度為12m/min   = 200mm/s 。

 曝光時(shí)間計(jì)算:  1. 曝光時(shí)間 < 長(zhǎng)邊視野范圍 / (長(zhǎng)邊像素值 * 產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)速度)

2. 曝光時(shí)間 < 80 mm / (1600∗250 mm/s); 3. 曝光時(shí)間 < 0.00025s  ;

 

總結(jié):故曝光時(shí)間要小于 0.00025s  ,圖像才不會(huì)產(chǎn)生拖影