【自有技術大講堂】線陣相機知識介紹

一、工業相機

 

工業相機或者稱為工業攝像頭，是為了與民用和交通用的相機（攝像頭）區分而取名。工業相機的優點主要表現在具有非常高的圖像穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力并且適用于7*24小時的不間斷工業工作環境。工業相機的出現不僅提高了工業產品的質量、提高工廠生產效益，還降低了勞動力成本。

 

早期的的工業相機所采用的圖像傳感器為CCD（Charge Coupled Device），它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號，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換形成電荷包，而后在驅動脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。一個完整的CCD相機主要有光學微透鏡、時序及同步信號發生器、垂直驅動器、模擬和數字信號處理電路等組成。早期的CCD相機具有成像品質高，圖像穩定，彩色還原度高等優點。CCD相機的缺點也非常的明顯，主要表現為像元無法做到很小，功耗比較大。CCD傳感器的缺點導致其無法拓展更大的像素分辨率。

 

為了解決CCD相機自身缺陷，科學家開發了基于CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技術的圖像傳感器。隨著超大規模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術的發展，CMOS圖像傳感器得到迅速發展。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、模數轉換電路、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訪問的優點。CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應用。CMOS圖像傳感器優秀的成像性能也最終導致了很多大廠停產了CCD圖像傳感器，轉而大規模生產基于CMOS技術的圖像傳感器。

 

 二、線陣相機 

 

線陣相機是工業相機的一種，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。

 

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

 

線陣傳感器示意圖

 

 三、線陣相機的分類 

 

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

 

按照顏色分為彩色線陣相機和黑白線陣相機。

 

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

 

四、線陣相機主要參數

 

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

 

2) 行頻，表示每秒鐘線陣相機可以采集最大的行數。

比如像素為8192*1， 行頻為16KHz, 那么此這個線陣相機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更高，動態范圍也越大。在微光環境下，可以優先選擇像元大的線陣相機。

 

4）像元數據格式，主要有8bit、10bit、12bit的等數據格式。

 

5）相機曝光，相機的曝光設置范圍。其中包含最小的曝光值，以及可以設置的曝光數值區間，其中最大的曝光數值為行頻的倒數。如行頻設置為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置到100μs。

 

五、線陣相機工作方式

 

線陣相機在工作時需要保證被拍攝樣品和線陣相機相對運動，這樣才能采集到一幅完整清晰的圖像。線陣相機通過內部觸發的方式或者編碼器信號觸發的方式，觸發相機采集一行的圖像數據，多行的圖像數據最后組成完整的一幀圖像，如下圖所示：

 

 

六、如何選擇基于線陣相機的視覺系統

 

 線陣相機的選擇取決于傳感器尺寸和線速度（也稱作行頻）

 

首先確認線陣相機的分辨率也就是線陣傳感器的尺寸，根據奈奎斯特采樣定律，瑕疵或者目標物分辨需要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=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，當然也可以選擇2個4K分辨率相機。

 

其次需要確認線陣相機的行頻，其中需要知道三個已知量，分別為圖像像素尺寸和產品線速度。例如：視野300mm，速度500mm/s，所用相機為8K相機，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。

 

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

  

 

七、基于線陣相機視覺系統組成

 

 基于線陣相機的視覺系統除了控制和分析的主機系統及固定用的機械機構外，主要分為視覺和運動控制兩大部分。

 

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

 

線陣相機

工業鏡頭

圖像采集卡

 

數據線纜

 

運動控制部分主要包括：馬達，馬達驅動器，旋轉編碼器，運動控制卡或PLC，還有觸發用的光電傳感器等。 

 

八、線陣相機使用案例

 

傳統上，線陣相機視覺系統主要用于造紙業、印刷業、鋼鐵以及玻璃制造行業等。其主要視覺配置如下圖所示：

 

 線陣相機可以用來做瓶體標簽的缺陷檢測，如下圖所示： 

 

       

隨著液晶行業和半導體行業的快速發展，線陣相機也越來越多的用在液晶面板和半導體晶圓的缺陷檢測和尺寸測量等。 

 

 參考文獻：《線陣相機的原理和應用》