线阵相机的选型

关于线线相机、镜头、光源的选型，欢迎来电探讨线扫描系统的搭建与选型随着机器视觉的大规模普及与工业流水线速度、精度的提高，线扫描系统越来越被视觉工程师和最终用户所认可。首先，我对线扫描系统做一个大致的介绍。线扫描系统用于被测物体和相机 之间有相对运动的场合，通过线扫描相机高速采集，每次采集完一条线后正好运 动到下一个单位长度，继续下一条线的采集，这样一段时间下来就拼成了一张二 维的图片，也就类似于面阵相机采集到的图片， 不同之处是高度可以无限长。接 下来通过软件把这幅“无限长”的图片截成一定高度的图片，进行实时处理或放 入缓存稍后进行处理。视觉部分，包括线扫描相机，镜头，光源，图象采集卡和视觉软件；运动控制部分，包括马达，马达驱动器，运动控制卡或PLC，为了保证采集的 图象与输送带同步，有时还会需要编码器。由于线扫描信息量大，所以需要一台高性能的工控机，配置大容量的内存和 硬盘，主板要提供 PCI、PCI-E或PCI-X插槽。一般来说，一个面阵视觉系统的配置选型是按照这样的顺序进行的。：相机+米集卡- 镜头- 光源线阵项目也类似，根据系统的检测精度和速度要求，确定线阵CCD相机分辨率和 行扫描速度，同时确定对应的采集卡，只是需要选线阵相机镜头接口 （mount）时同 时考虑镜头的选型，最后确定光源的选型。线阵摄像机（线阵工业相机）的选型计算分辩率：幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素选定相机：幅宽除以像素数得出实际检测精度每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数根据以上数值选定相机如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s相机：1600/1 = 1600像素最少2000像素，选定为2k相机1600/2048 = 0.8 实际精度22000mm/0.8mm = 27.5KHz应选定相机为2048像素28kHz相机线阵镜头的选型为什么在选相机时要考虑镜头的选型呢？常见的线阵相机分辨率目前有1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K 几种，象素大小有5 um,7um,10um,14um几种，这样芯 片的大小从 10.240mm (1Kx10um)到 86.016mm (12Kx7um)不等。很显然,C接口远远不能满足要求，因为C接口最大只能接22 mm 的芯片，也就是1.3inch。而很多相机的接口为F,M 42X1，M72X0.75等，不同的镜头接口对应 不同的后背焦(Flange distanee)也就决定了镜头的工作距离不一样。光学放大倍率(B ,Magnification)确定了相机分辨率和像素大小，就可以计算出芯片尺寸(Sensor size )；芯片尺寸除以视野范围(FOV)就等于光学放大倍率。B =CCD/FOV接口 (Mount):主要有C M42x1、F、T2、Leica、M72x0.75等几种，确定了之后，就可知道对 应接口的长度。后背焦(Flange Distanee)后背焦指相机接口平面到芯片的距离， 是一个非常重要的参数，由相机厂家 根据自己的光路设计确定。不同厂家的相机，哪怕是接口一样，也可能有不同的 后背焦。有了光学放大倍率、接口、后背焦，就能计算出工作距离和节圈长度。选 好这些之后，还有一个重要的环节，就是看MTF值是否足够好？很多视觉工程师 不了解MTF而对高端镜头来说就必须用MTF来衡量光学品质。MTF函盖了对比度、 分辨率、空间频率、色差等相当丰富的信息，并且非常详细地表达了镜头中心和 边缘各处的光学质量。不仅只是工作距离、视野范围满足要求，边缘的对比度不 够好，也要重新考虑是否选择更高分辨率的镜头。（下图为一个典型的MTF表格，横坐标为像高，也就是到图像中心的距离 除以图像半径的百分比；纵坐标为图像对比度。共有三组曲线，依次为三种不同 分辨率的情况下的对比度，每一组又有实线和虚线，实线为半径方向的对比度， 虚线为切线方向的对比度） 线扫描线阵光源的选型线扫描项目中，常用的光源有led光源、卤素灯（光纤光源）、高频荧光 灯。卤素灯也叫光纤光源，特点是亮度特别高，但缺点也很明显-寿命短，只有 1000-2000小时左右，需要经常更换灯泡。发光源是卤素灯泡，通过一个专门的光 学透镜和分光系统，最后通过光纤输出，光源功率很大，可高达250瓦。卤素灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的且色温 稳定，适合用于对环境温度比较敏感的场合， 比如二次元量测仪的照明。用于线 扫描的卤素灯，常常在出光口加上玻璃聚光镜头， 进一步聚焦提高光源亮度。对 于较长的线光源，还用几组卤素光源同时为一根光纤提供照明。高频荧光灯，发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，特点是适合 大面积照明，亮度较高，成本低，但荧光灯最大的缺点是有闪烁、衰减速度快。荧光灯一定需要高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率（对线扫描相机来说 就是行扫描频率），消除图像的闪烁。专用的高频电源可做到60KHz oLED光源是目前主流的机器视觉光源。特点是寿命长，稳定性好，功耗非 常小。1,直流供电，无频闪。2，专业的LED光源寿命非常长。（如美国 AI的寿命50000小时亮度不小于50%）3,亮度也非常高，接近卤素灯的亮度，并且随着LED工艺的改善不断提高。（目 前美国AI线光源亮度高达90000LUX ）3, 可以灵活地设计成不同结构的线光源，如直射、带聚光透镜、背光、同轴以 及类似于碗状的漫反射线光源。4, 有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。针对不同被测物 体的表面特征和材质，选用不同颜色也就是不同波长的光源，获得更佳的图像。线扫描相机、光源与被测物体之间的角度分析以玻璃检测为例，需要检测的缺陷有：脏点、结石、杂质、气泡、刮伤，裂纹，破损等，其大致可以分成两类，一类在玻璃表面的，一类是玻璃内部的。不同的缺陷，在图象中表现的出的灰度不一样，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机接受角度，缺陷的对比度会变化，如在一个角度时，某一种缺陷的对比度最好，但其他缺陷可能比较次，甚至根本看不到。这 样也就需要大量的分析、组合，才能确定最后的光源选型和相机、光源和被测物 体之间的相对角度。如下图所示，相机、光源在不同角度安装，分别测试。结果发现：脏点，正面光源或背光都较容易凸现；结石和杂质，需要正面接近法线的照明或背面穿透照明；气泡，形状不固定，且要分析形成的原因以及方向，采用背面照明；刮伤和破损，正面低角度照明容易凸现。裂纹，需要背面侧照而且，以上缺陷并不是独立的，而是互相影响。统计、分析如下。综合以上因素，最后选用背光斜射和正面照射结合，相机接近法线方向安装。 光源、镜头的调试线扫描系统，对光源和相机来说，有效的工作区域都是一个窄条。也就是保 证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行，否则只能拍到相交叉的一个 亮点。所以机械安装、调试是比较费工夫的。同时由于幅宽比较宽，对于线光源 有两个特别的要求，就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异， 会 直接影响图象的亮度高低，这一点led比卤素灯更好控制。出光部分的直线性， 取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。由于现场环境比较复杂，客户总是希望花多一些时间去现场调试。但如我们 前面讲到的相机、光源、被测物体的相对角度测试、分析，许多因素会直接影响 到检测效果。所以我们建议先做实验室测试，有了方案之后，再去现场调试，这 样会最有把握，也能提高调试效率。毕竟服务也是一种成本。线扫描系统除了机械结构之外，其主要组成部分还包括机器视觉和运 动控制。