【光电智造】一文详解线阵相机

来源:今日光电发布时间:2022-12-014896浏览

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线阵相机顾名思义就是取像是成线性的。它的传感器是成线型的。

举个例子：比如面阵相机的分辨率是640*480就是说这个相机横向有640个像元，纵向有480个像元。
而线阵相机分辨率只体现在横向，比如2048像素的线阵相机就是说横向有2048个像元，纵向大多数为1。（RGB相机和TDI相机除外）

关于线阵相机的传感器

70年代大多数使用的是MOS，而从70年代末CCD开始迅速发展，一直到现在也是主流，CMOS大概是在80年代中期开始出现的，但是随着技术的发展CCD的取像速度要低于CMOS，而且直到2010年以前CMOS的传感器价格要高于CCD，从2010年以后几家主要的相机制造商都已经大力开发CMOS的相机了，并且也得到了不少的实际应用。

鄙人认为，以后的线阵相机主流将是CMOS的传感器。（这两种传感器的优缺点大家可以到网上找，主要是取像速度和敏感度的差异）

线阵相机的几个重要参数:

resolution: 像素数，传感器上有多少个像元。

MAX DATA RATE（应该叫相机时钟吧）：意思是相机每秒可以采取最大的数据量

Linerate 行频：意思是每秒钟相机最大可以采取多少行影像

比如像素为8192*1， data rate为160Mhz, 那么此相机的行频就是160M/8192= 19000line/sec

每秒钟最大可以取像19000行，横向为8192pixel,纵向为19000pixel, 1秒钟取得的这幅图像大小大概为160M

还有就是像元的大小和镜头的尺寸。一般ccd的像元大小最小为5um，再小好像做不出来，而且感光度也差，cmos的像元可以比ccd小近一倍。

相机的选择十分重要，直接关系到整体设备的成本，像素多就要采用大的镜头，数据量大就要采用传输率大的数据线，还需要图像处理卡，数据量大对运算要求也高，对计算机的要求也高。

还是以目前的主流CCD相机为例子吧，由于相机的取像速度有限，一般每个tap最多能取得60M的数据，所以目前告诉的相机都采用多tap的处理方式，一般每个tap为40M，拿160M的相机为例就是有4个tap ,每个tap的取像为40M，40M*4=160Mhz, 当然也有single-tap(1), dual-tap(2), triple-tap(3),octal-tap（8）之分，目前ccd的取像速度都低于400M，而cmos目前最高可以到1.6Ghz(以后可能会更高）

相机的输出方式也有多种，8bit,10bit,12bit, 我主要了解的就是8bit 黑白256进制影像。

有single输出，取像时1，2，3，~8192，有双输出，1，3，5，7/ 2,4,6,8, 也有1，3，5~4095/ 4097,4099~8191

这里的输出方式可以大概了解下（一般使用默认值对取像不会造成影响）

线阵相机主要接口还是以GiGe和cameralink为主流，高速的相机需要用HSlink.

相机主要的几个设定有exposre,gain, 还有内触发/外触发模式，不常用的当然也有很多如平均影像灰度，offset设定等等。

exposure ，这个设定和相机的行频有直接关联，此设定必须低于可以采取的最大行频。

比如刚才的19000行的相机，如果想采取19000行的话，设定为1sec/19000=53us 这里还有一些延迟在里面，设定在47us左右才可以采集最大的行频。（表达不清楚，烦）

此数值越低，获取的影像越暗，反之越亮。

gain/offset，调整取得影像的灰度，在照明亮度不够时可以使用，但是使用后会导致影像的鲜明度下降，对分析影像时会造成一些影像，我不建议使用，即使使用也不要超过默认值的20%

还有一些其他的设定可以参照相机的说明书。

线阵相机的应用领域，主要为连续的生产线（web),比如钢铁冶金，有色金属，电子素材，纺织，造纸，LCD等等，也可以说面阵相机可以应用的领域线阵相机也都可以完成，但是就是成本问题了。

我举一个实例说明吧，这里先举一个单目相机实例。

电子铜带的表面缺陷检测设备

电子铜带宽度450mm，生产线速度120米每分，需要检测最小缺陷为0.2mm

那么在选型的时候就可以考虑 4096像素的线阵相机，这样使用普通F口的镜头，横向分辨率大概是0.11mm，可以检测出最小0.2mm的缺陷了，那么纵向怎么选择呢？120米每分=2米每秒=2000mm每秒

如果让横向纵向分辨率都一致的话应该是2000mm/ 0.11=18180line 相机需要每秒采取18180行才可以完成对产品的全幅取像。这样我们可以选择 4096像素，行频为19000的相机了。这种参数的相机可以对产品全幅取像。

刚才群友上海-Alex-VC问会不会出现一秒钟扫的全是同一行的现象出现。

使用外触发就不会。

外触发意思是，外部给相机一个pulse,相机就扫描一行。生产线速度快，扫描频率就高，反之则低。

外触发主要有编码器来实现（有点扯远了，到编码器了），编码器主要有2种，一种为固定pulse(比如1mm就是1pulse,不变），一种为转一圈为固定pulse, 编码器的输出信号也有多种，例如linediver等，相机获取的信号种类也有多种，如ttl, lvds,differetion,等。

还拿电子铜带举例吧，这里我们使用固定的pulse编码器，每1mm发生1pulse，那么就是说相机每1mm扫描一次取一次影像，这样的话横向分辨率是0.11mm, 纵向是1mm了，整体影像变形就不好了。有2种方案解决，1是选择编码器的时候尽量选择和行频一样的编码器，2是通过相机的设定来改变行频。

各种相机都含有convert模式，意思是对收到的pulse进行转换，转换成需要的数值，如果将横向和纵向都变成0.11mm的话，就增加9倍就可以了，相机每收到1pulse自动连续扫描9次，那么每一行的分辨率就是1mm/9=0.11mm，这样横向和纵向的分辨率就一致了。

比如刚才的1mm发生1pulse, 相机得到1pulse扫描9行的情况：

生产线为1米没秒的时候，相机扫描行数为1000mm/1*9=9000行每秒，生产线没进行1米，编码器发生1000pulse, 相机取像9000行，生产线为2米每秒的时候，相机扫描行数为2000mm/1*9=18000行每秒，生产线每进行2米，编码器法师2000pulse, 相机取像18000行。只要外触发设置好是不会出现连续在同一行扫描的情况。

这里又关系到了彩色相机，彩色相机是3线的，三线在同一行扫描，然后组合得到这一行的彩色影像。

还有TDI相机，有8行，16行，32行最高好像512行，就是在同一行取像，获得最佳影像，这种相机贵，对照明要求低，但是需要很高的datarate。

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＋采集卡－>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５um,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，Ｍ42X1，M72X0.75等，不同的镜头接口对应不同的后背焦(Flange distance)，也就决定了镜头的工作距离不一样。

光学放大倍率(β,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。β=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 Distance)

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涵盖了对比度、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。

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。

LED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）

4，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。

5，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。

要保证采集到的图像不被拉伸或者压缩，必须遵从一点，即“横向和纵向的分辨率相等”。

首先设定以下变量：

1）线阵相机的每线像素数（单位：pixel）：Hc

2）目标物的宽幅（单位：m）：Lo

3）目标物运行速率（单位：m/s）：Vo

4）线阵相机线扫描速率（单位：Hz，即线/s）：Vc

5）扫描一帧图像目标物运行的时间（单位：s）：To

6）扫描一帧图像线阵相机的扫描时间（单位：s）：Tc

那么，

横向的分辨率为：Lo/ Hc，标定纸的值/单个相机像素（4096）