二次元 部分 機器 而且 明顯 固定 現場 也有 穿透

關於線線相機、鏡頭、光源的選型,歡迎來電探討線掃描系統的搭建與選型

隨著機器視覺的大規模普及與工業流水線速度、精度的提高,線掃描系統越來越被視覺工程師和最終用戶所認可。  

首先,我對線掃描系統做一個大致的介紹。線掃描系統用於被測物體和相機之間有相對運動的場合,通過線掃描相機高速采集,每次采集完一條線後正好運動到下一個單位長度,繼續下一條線的采集,這樣一段時間下來就拼成了一張二維的圖片,也就類似於面陣相機采集到的圖片,不同之處是高度可以無限長。接下來通過軟件把這幅“無限長”的圖片截成一定高度的圖片,進行實時處理或放入緩存稍後進行處理。

視覺部分,包括線掃描相機,鏡頭,光源,圖象采集卡和視覺軟件;  

運動控制部分,包括馬達, 馬達驅動器, 運動控制卡或PLC,為了保證采集的圖象與輸送帶同步,有時還會需要編碼器。  

由於線掃描信息量大,所以需要一臺高性能的工控機,配置大容量的內存和硬盤,主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽。  

一般來說,一個面陣視覺系統的配置選型是按照這樣的順序進行的。:  

           相機+采集卡->鏡頭->光源  

線陣項目也類似,根據系統的檢測精度和速度要求,確定線陣CCD相機分辨率和行掃描速度,同時確定對應的采集卡,只是需要選線陣相機鏡頭接口(mount)時同時考慮鏡頭的選型,最後確定光源的選型。

線陣攝像機(線陣工業相機)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際檢測精度
每秒運動速度長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實際精度
22000mm/0.8mm=27.5KHz
應選定相機為2048像素28kHz相機

線陣鏡頭的選型  

為什麽在選相機時要考慮鏡頭的選型呢?常見的線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後背焦(Flange distance),也就決定了鏡頭的工作距離不一樣。  

  

光學放大倍率(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);芯片尺寸除以視野範圍(FOV)就等於光學放大倍率。β=CCD/FOV  

  

接口(Mount):  

主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等幾種,確定了之後,就可知道對應接口的長度。   

  

後背焦(Flange Distance)  

後背焦指相機接口平面到芯片的距離,是一個非常重要的參數,由相機廠家根據自己的光路設計確定。不同廠家的相機,哪怕是接口一樣,也可能有不同的後背焦。  

  

有了光學放大倍率、接口、後背焦,就能計算出工作距離和節圈長度。選好這些之後,還有一個重要的環節,就是看MTF值是否足夠好?很多視覺工程師不了解MTF,而對高端鏡頭來說就必須用MTF來衡量光學品質。MTF涵蓋了對比度、分辨率、空間頻率、色差等相當豐富的信息,並且非常詳細地表達了鏡頭中心和邊緣各處的光學質量。不僅只是工作距離、視野範圍滿足要求,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。  

  

(下圖為一個典型的MTF表格,橫坐標為像高,也就是到圖像中心的距離除以圖像半徑的百分比;縱坐標為圖像對比度。共有三組曲線,依次為三種不同分辨率的情況下的對比度,每一組又有實線和虛線,實線為半徑方向的對比度,虛線為切線方向的對比度)  

線掃描線陣光源的選型    

線掃描項目中,常用的光源有LED光源、鹵素燈(光纖光源)、高頻熒光燈。   

鹵素燈也叫光纖光源,特點是亮度特別高,但缺點也很明顯--壽命短,只有1000-2000小時左右,需要經常更換燈泡。發光源是鹵素燈泡,通過一個專門的光學透鏡和分光系統,最後通過光纖輸出,光源功率很大,可高達250瓦。鹵素燈還有一個名字叫冷光源,因為通過光纖傳輸之後,出光的這一頭是不熱的且色溫穩定,適合用於對環境溫度比較敏感的場合,比如二次元量測儀的照明。用於線掃描的鹵素燈,常常在出光口加上玻璃聚光鏡頭,進一步聚焦提高光源亮度。對於較長的線光源,還用幾組鹵素光源同時為一根光纖提供照明。   

高頻熒光燈,發光原理和日光燈類似,只是燈管是工業級產品,特點是適合大面積照明,亮度較高,

成本低,但熒光燈最大的缺點是有閃爍、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於相機采集圖象的頻率(對線掃描相機來說就是行掃描頻率),消除圖像的閃爍。專用的高頻電源可做到60KHz。  

LED光源是目前主流的機器視覺光源。特點是壽命長,穩定性好,功耗非常小。  

1,直流供電,無頻閃。
2,專業的LED光源壽命非常長。(如美國AI的壽命50000小時亮度不小於50%)  

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

3,可以靈活地設計成不同結構的線光源,如直射、帶聚光透鏡、背光、同軸以及類似於碗狀的漫反射線光源。  

4,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,選用不同顏色也就是不同波長的光源,獲得更佳的圖像。  

  線掃描相機、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、結石、雜質、氣泡、刮傷,裂紋,破損等,其大致可以分成兩類,一類在玻璃表面的,一類是玻璃內部的。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,並且在不同的光源照射角度或者相機接受角度,缺陷的對比度會變化,如在一個角度時,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,才能確定最後的光源選型和相機、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。  

結果發現:  

臟點,正面光源或背光都較容易凸現;  

結石和雜質,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。  

裂紋,需要背面側照   

而且,以上缺陷並不是獨立的,而是互相影響。統計、分析如下。  

綜合以上因素,最後選用背光斜射和正面照射結合,相機接近法線方向安裝。   

光源、鏡頭的調試   

線掃描系統,對光源和相機來說,有效的工作區域都是一個窄條。也就是保證光源照在這個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亮點。所以機械安裝、調試是比較費工夫的。同時由於幅寬比較寬,對於線光源有兩個特別的要求,就是均勻性和直線性。因為線光源不同位置的亮暗差異,會直接影響圖象的亮度高低,這一點LED比鹵素燈更好控制。出光部分的直線性,取決於LED發光角度的一致性、聚光透鏡的直線性以及線光源外殼的直線性。    

由於現場環境比較復雜,客戶總是希望花多一些時間去現場調試。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,許多因素會直接影響到檢測效果。所以我們建議先做實驗室測試,有了方案之後,再去現場調試,這樣會最有把握,也能提高調試效率。畢竟服務也是一種成本。  

線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和運動控制。

線陣相機鏡頭和光源選型