線(xiàn)掃相機相關(guān)規格說(shuō)明

admin2022-09-30

線(xiàn)掃相機相關(guān)規格說(shuō)明

工業(yè)線(xiàn)陣相機與面陣相機特點(diǎn)分析

微視的一款線(xiàn)陣相機(Microview MVC1024DLM-GE35);所以把線(xiàn)陣、面陣相機的一些區別學(xué)習下:

了解線(xiàn)陣相機與面陣相機的基本區別

     工業(yè)相機按照傳感器的結構特性可分為面陣相機和線(xiàn)陣相機,面陣、線(xiàn)陣相機都有各自的優(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構工業(yè)相機,至關(guān)重要。

 

1、類(lèi)型區分

 

面陣相機:實(shí)現的是像素矩陣拍攝。相機拍攝圖像中,表現圖像細節不是由像素多少決定的,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,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),那么大像素相機有何好處呢?答案只有一個(gè):減少拍攝次數,提高測試速度。

 

線(xiàn)陣相機:顧名思義是呈“線(xiàn)”狀的。雖然也是二維圖像,但極長(cháng)。幾K的長(cháng)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:一、被測視野為細長(cháng)的帶狀,多用于滾筒上檢測的問(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,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(xiàn)陣型相機,必須用可以支持線(xiàn)陣型相機的采集卡。 線(xiàn)陣型相機價(jià)格貴,而且在大的視野或高的精度檢測情況下,其檢測速度也慢--一般相機的圖象是 400K~1M,而合并后的圖象有幾個(gè)M這么大,速度自然就慢了。慢功出細活嘛。由于以上這兩個(gè)原因,線(xiàn)陣相機只用在極特殊的情況下。 

 

2、應用對比:

 

面陣相機:應用面較廣,如面積、形狀、尺寸、位置,甚至溫度等的測量。

線(xiàn)陣相機:主要應用于工業(yè)、醫療、科研與安全領(lǐng)域的圖象處理。典型應用領(lǐng)域是檢測連續的材料,例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測的物體通常勻速運動(dòng) , 利用一臺或多臺相機對其逐行連續掃描 , 以達到對其整個(gè)表面均勻檢測??梢詫ζ鋱D象一行一行進(jìn)行處理 , 或者對由多行組成的面陣圖象進(jìn)行處理。另外線(xiàn)陣相機非常適合測量場(chǎng)合,這要歸功于傳感器的高分辨率,它可以準確測量到微米。

 

3、優(yōu)點(diǎn)對比:

 

面陣相機:可以獲取二維圖像信息,測量圖像直觀(guān)。

 

線(xiàn)陣相機:一維像元數可以做得很多,而總像元素較面陣相機少,而且像元尺寸比較靈活,幀幅數高,特別適用于一維動(dòng)態(tài)目標的測量。而且線(xiàn)陣分辨率高,價(jià)格低廉,可滿(mǎn)足大多數測量現場(chǎng)要求。

 

4、缺點(diǎn)對比:

 

面陣相機:像元總數多,而每行的像元數一般較線(xiàn)陣少,幀幅率受到限制,因此其應用面較廣,如面積、形狀、尺寸、位置,甚至溫度等的測量。由于生產(chǎn)技術(shù)的制約,單個(gè)面陣的面積很難達到一般工業(yè)測量現場(chǎng)的需求。

 

線(xiàn)陣相機:要用線(xiàn)陣獲取二維圖像,必須配以?huà)呙柽\動(dòng),而且為了能確定圖像每一像素點(diǎn)在被測件上的對應位置,還必須配以光柵等器件以記錄線(xiàn)陣每一掃描行的坐標。一般看來(lái),這兩方面的要求導致用線(xiàn)陣獲取圖像有以下不足:圖像獲取時(shí)間長(cháng),測量效率低;由于掃描運動(dòng)及相應的位置反饋環(huán)節的存在,增加了系統復雜性和成本;圖像精度可能受掃描運動(dòng)精度的影響而降低,最終影響測量精度。

 

另:線(xiàn)陣相機與面陣相機的選型

 

     首先了解一下線(xiàn)掃描系統,這個(gè)系統一般可用于被測物體和相機之間有相對運動(dòng)的場(chǎng)合,通過(guò)線(xiàn)掃描相機高速采集,每次采集完一條線(xiàn)后正好運動(dòng)到下一個(gè)單位長(cháng)度,繼續下一條線(xiàn)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)似于面陣相機采集到的圖片,不同之處是高度可以無(wú)限長(cháng)。接下來(lái)通過(guò)軟件把這幅“無(wú)限長(cháng)”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(xiàn)掃描相機,鏡頭,光源,圖象采集卡和視覺(jué)軟件;  

 

運動(dòng)控制部分,包括馬達, 馬達驅動(dòng)器, 運動(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?! ?/p>

 

由于線(xiàn)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)系統的配置選型是按照這樣的順序進(jìn)行的。:  

 

相機+采集卡->鏡頭->光源  

 

    線(xiàn)陣項目也類(lèi)似,根據系統的檢測精度和速度要求,確定線(xiàn)陣CCD相機分辨率和行掃描速度,同時(shí)確定對應的采集卡,只是需要選線(xiàn)陣相機鏡頭接口(mount)時(shí)同時(shí)考慮鏡頭的選型,最后確定光源的選型。

 

線(xiàn)陣攝像機(線(xiàn)陣工業(yè)相機)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:幅寬除以像素數得出實(shí)際檢測精度

每秒運動(dòng)速度長(cháng)度除以精度得出每秒掃描行數

根據以上數值選定相機

 

如幅寬為1600毫米、精度1毫米、運動(dòng)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(shí)際精度

22000mm/0.8mm=27.5KHz

應選定相機為2048像素28kHz相機

 

線(xiàn)陣鏡頭的選型  

 

    為什么在選相機時(shí)要考慮鏡頭的選型呢?常見(jiàn)的線(xiàn)陣相機分辨率目前有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接口遠遠不能滿(mǎn)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,M42X1,M72X0.75等,不同的鏡頭接口對應不同的后背焦(Flange distance),也就決定了鏡頭的工作距離不一樣?! ?/p>

 

1、光學(xué)放大倍率(β,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。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,就可知道對應接口的長(cháng)度。            

 

3、后背焦(Flange Distance)  

 

    后背焦指相機接口平面到芯片的距離,是一個(gè)非常重要的參數,由相機廠(chǎng)家根據自己的光路設計確定。不同廠(chǎng)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圈長(cháng)度。選好這些之后,還有一個(gè)重要的環(huán)節,就是看MTF值是否足夠好?很多視覺(jué)工程師不了解MTF,而對高端鏡頭來(lái)說(shuō)就必須用MTF來(lái)衡量光學(xué)品質(zhì)。MTF涵蓋了對比度、分辨率、空間頻率、色差等相當豐富的信息,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(mǎn)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?!    ?/p>

 

線(xiàn)掃描線(xiàn)陣光源的選型    

 

    線(xiàn)掃描項目中,常用的光源有LED光源、鹵素燈(光纖光源)、高頻熒光燈?!  ?/p>

 

    鹵素燈也叫光纖光源,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)光源是鹵素燈泡,通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的光學(xué)透鏡和分光系統,最后通過(guò)光纖輸出,光源功率很大,可高達250瓦。鹵素燈還有一個(gè)名字叫冷光源,因為通過(guò)光纖傳輸之后,出光的這一頭是不熱的且色溫穩定,適合用于對環(huán)境溫度比較敏感的場(chǎng)合,比如二次元量測儀的照明。用于線(xiàn)掃描的鹵素燈,常常在出光口加上玻璃聚光鏡頭,進(jìn)一步聚焦提高光源亮度。對于較長(cháng)的線(xiàn)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高于相機采集圖象的頻率(對線(xiàn)掃描相機來(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器視覺(jué)光源。特點(diǎn)是壽命長(cháng),穩定性好,功耗非常小?! ?/p>

 

1,直流供電,無(wú)頻閃。

 

2,專(zhuān)業(yè)的LED光源壽命非常長(cháng)。(如美國AI的壽命50000小時(shí)亮度不小于50%)  

 

3,亮度也非常高,接近鹵素燈的亮度,并且隨著(zhù)LED工藝的改善不斷提高。(目前美國AI線(xiàn)光源亮度高達90000LUX)

 

4,可以靈活地設計成不同結構的線(xiàn)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(xiàn)光源?! ?/p>

 

5,有多種顏色可選,包括紅、綠、藍、白,還有紅外、紫外。針對不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(cháng)的光源,獲得更佳的圖像?! ?/p>

 

線(xiàn)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(diǎn)、結石、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)是玻璃內部的。不同的缺陷,在圖象中表現的出的灰度不一樣,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(huì )變化,如在一個(gè)角度時(shí),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、光源在不同角度安裝,分別測試?! ?/p>

 

結果發(fā)現:  

 

臟點(diǎn),正面光源或背光都較容易凸現;  

 

結石和雜質(zhì),需要正面接近法線(xiàn)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?! ?/p>

 

裂紋,需要背面側照   

 

而且,以上缺陷并不是獨立的,而是互相影響。統計、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合,相機接近法線(xiàn)方向安裝?!  ?/p>

 

光源、鏡頭的調試   

 

    線(xiàn)掃描系統,對光源和相機來(lái)說(shuō),有效的工作區域都是一個(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)。所以機械安裝、調試是比較費工夫的。同時(shí)由于幅寬比較寬,對于線(xiàn)光源有兩個(gè)特別的要求,就是均勻性和直線(xiàn)性。因為線(xiàn)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比鹵素燈更好控制。出光部分的直線(xiàn)性,取決于LED發(fā)光角度的一致性、聚光透鏡的直線(xiàn)性以及線(xiàn)光源外殼的直線(xiàn)性。         

由于現場(chǎng)環(huán)境比較復雜,客戶(hù)總是希望花多一些時(shí)間去現場(chǎng)調試。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(huì )直接影響到檢測效果。所以我們建議先做實(shí)驗室測試,有了方案之后,再去現場(chǎng)調試,這樣會(huì )最有把握,也能提高調試效率。畢竟服務(wù)也是一種成本。 線(xiàn)掃描系統除了機械結構之外, 其主要組成部分還包括機器視覺(jué)和運動(dòng)控制。

 

 面陣相機和鏡頭選型

 

已知:被檢測物體大小為A*B,要求能夠分辨小于C,工作距為D 解答:

 

1. 計算短邊對應的像素數 E = B/C,相機長(cháng)邊和短邊的像素數都要大于E;

 

2. 像元尺寸 = 物體短邊尺寸B / 所選相機的短邊像素數;

 

3. 放大倍率 = 所選相機芯片短邊尺寸 / 相機短邊的視野范圍;

 

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 ;  

 

 以上只針對鏡頭的主要參數進(jìn)行計算選擇,其他如畸變、景深環(huán)境等,可根據實(shí)際要求進(jìn)行選擇。

*針對速度和曝光時(shí)間的影響,物體是否有拖影  

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

 曝光時(shí)間計算:  1. 曝光時(shí)間 < 長(cháng)邊視野范圍 / (長(cháng)邊像素值 * 產(chǎn)品運動(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:故曝光時(shí)間要小于 0.00025s  ,圖像才不會(huì )產(chǎn)生拖影