一、工業相機概述

工業相機又俗稱攝像機,相比於傳統的民用相機(攝像機)而言,它具有高的影象穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等,目前市面上工業相機大多是基於CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)晶片的相機。
工業相機是機器視覺系統中的一個關鍵元件,其最基礎功能就是將光訊號轉變成為有序的電訊號。選擇合適的工業相機也是機器視覺系統設計中的重要環節,工業相機不僅直接決定所採集到的影象解析度、影象質量等,同時也與整個系統的執行模式直接相關。

CCD晶片相機:

CCD晶片工作原理,如圖所示:


在感光像點接受光照之後,感光元件產生對應的電流,電流大小與光強對應,因此感光元件直接輸出的電訊號是模擬的。在CCD感測器中,每一個感光元件都不對此作進一步的處理,而是將它直接輸出到垂直暫存器,傳到水平暫存器中,最後才能形成統一的輸出。由於感光元件生成的電訊號實在太微弱了加上在此過程中會產生大量電壓損耗,無法直接進行模數轉換工作,因此這些輸出資料必須做統一的放大處理—這項任務是由CCD感測器中的放大器專門負責,經放大器處理之後,每個像點的電訊號強度都獲得同樣幅度的增大;因訊號只通過一個放大器進行放大,所以產生的噪點較少。但由於CCD本身無法將模擬訊號直接轉換為數字訊號,因此還需要一個專門的模數轉換晶片進行處理,最終以二進位制數字影象矩陣的形式輸出給專門的DSP處理晶片。

CMOS晶片相機:

CMOS工作原理,如圖所示:


CMOS感測器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數轉換邏輯,當感光二極體接受光照、產生模擬的電訊號之後,電訊號首先被該感光元件中的放大器放大,然後直接轉換成對應的數字訊號。換句話說,在CMOS感測器中,每一個感光元件都可產生最終的數字輸出,所得數字訊號合併之後被直接送交DSP晶片處理,問題恰恰是發生在這裡,CMOS感光元件中的放大器屬於模擬器件,無法保證每個像點的放大率都保持嚴格一致,致使放大後的影象資料無法代表拍攝物體的原貌—體現在最終的輸出結果上,就是影象中出現大量的噪聲,品質明顯低於CCD感測器,不過目前這方面的技術已大幅改善

二、工業相機效能優勢

好的工業相機應具有高精度、高清晰度、色彩還原好、低噪聲等特點,而且通過計算機可以程式設計控制曝光時間、亮度、增益等引數,另外影象視窗無級縮放,帶有外觸發輸入,帶有閃光燈控制輸出等功能。國內知名的工業相機生產銷售商維視數字影象(Microvision),結合多年研發生產經驗及客戶需求,特整理出選擇工業相機時的注意事項及必看引數,方便一般客戶做出合理選擇。

三、工業相機選購主看引數

1. 解析度(Resolution):指鏡頭可清晰分辨被拍攝物體細節的能力,在像平面1mm內可以分辨開的黑白相間的線條對數,解析度的單位是“線對/毫米”(lp/mm)。相機每次採集影象的畫素點數(Pixels),對於工業數字相機一般是直接與光電感測器的像元數對應的,對於工業數字模擬相機則是取決於視訊制式,PAL製為768*576,NTSC製為640*480。
2. 畫素深度(Pixel Depth):即每畫素資料的位數,一般常用的是8Bit,對於工業數字數字相機一般還會有10Bit、12Bit等。
3. 最大幀率(Frame Rate)/行頻(Line Rate):相機採集傳輸影象的速率,對於面陣相機一般為每秒採集的幀數(Frames/Sec.),對於線陣相機機為每秒採集的行數(Hz)。
4. 曝光方式(Exposure)和快門速度(Shutter):對於工業線陣相機都是逐行曝光的方式,可以選擇固定行頻和外觸發同步的採集方式,曝光時間可以與行週期一致,也可以設定一個固定的時間;面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式,工業數字相機一般都提供外觸發採圖的功能。快門速度一般可到10微秒,高速相機還可以更快。
5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元數(解析度)共同決定了相機靶面的大小。目前工業數字相機像元尺寸一般為3μm-10μm,一般像元尺寸越小,製造難度越大,影象質量也越不容易提高。

6. 光譜響應特性(Spectral Range):是指該像元感測器對不同光波的敏感特性,一般響應範圍是350nm-1000nm,一些相機在靶面前加了一個濾鏡,濾除紅外光線,如果系統需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

工業鏡頭的基本引數:

  • 視場:Field of View,即FOW,也叫視野範圍,指可以觀測到的物體的可視範圍。
  • 工作距離:Working Distance,指從鏡頭前部到受檢物體表面的距離,在該距離下鏡頭可以清晰成像。
  • 景深:Depth of View,在景物空間中,位於調焦平面前後一定距離內還能夠清晰成像的縱深距離,也就是在實際像平面上獲得相對清晰影像的景物精簡深度範圍。
  • 焦距:Focal Length,焦距是從鏡頭的中心點到焦平面上所形成的清晰影像之間的距離。焦距數值小,視角大,所觀察到的範圍也大,但距離遠的物體成像不是很清晰;焦距數值大,視角小,觀察範圍小,但距離較遠的物體也可以清晰成像,有定焦和變焦兩種鏡頭型號。相見的工業鏡頭焦距:5/8/12/25/35/50/75mm等。一般焦距越小,價格越貴。
  • 光圈:Iris,用來控制光線透過鏡頭進入機身內感光面光量的裝置,在拍攝高速運動物體時候,由於曝光時間短,需要使用大光圈。光圈大小一般用F表示,以鏡頭焦距f和通光孔徑直徑D的比值來衡量,當光圈物理孔徑不變時,鏡頭中心與感光器件距離越遠,F值越大,光圈越小;反之,F值越小,光圈越大。一般通過調整通光孔徑大小來調節光圈,完整的光圈數值系列如下:F1,F1.4,F2,F2.8,F4,F5.6,F8,F11,F16,F22,F32,F44,F64。光圈F數值每升高一個等級,意味著通光孔徑的面積即進光量降低一半。

                                                                           

  • 鏡頭畸變:鏡頭在成像時,特別是用短焦距鏡頭拍攝大視場時,影象會產生形變,這是由於鏡頭的光學結構和成像特性導致的,原因是由於視野中區域性放大倍數不一致造成的影象扭曲。拍攝的視場越大,所用的鏡頭的焦距越短,畸變的程度就越明顯,可以通過影象標定減弱這種平面畸變的影響。

四. 相機介面型別:

GIGE千兆網介面:
千兆網協議穩定,該介面的工業相機是近幾年市場應用的重點。使用方便,連線到千兆網絡卡上,即能正常工作。
在千兆網絡卡的屬性中,也有與1394中的Packet Size類似的巨幀。設定好此引數,可以達到更理想的效果。
傳輸距離遠,可傳輸100米。可多臺同時使用,CPU佔用率小。
USB2.0介面:
所有電腦都配置有USB2.0介面,方便連線,不需要採集卡。USB2.0介面的相機,是最早應用的數字介面之一,開發週期短,成本低廉,是目前最為普通的型別,缺點是其傳輸速率較慢,理論速度只有480Mb(60MB)。在傳輸過程中CPU參與管理,佔用及消耗資源較大。USB2.0介面不穩定,相機通常沒有堅固螺絲,因此在經常運動的裝置上,可能會有鬆動的危險。傳輸距離近,訊號容易衰減。
USB3.0介面:
USB 3.0的設計在USB 2.0的基礎上新增了兩組資料匯流排,為了保證向下相容,USB 3.0保留了USB 2.0的一組傳輸匯流排。
在傳輸協議方面,USB 3.0除了支援傳統的BOT協議,新增了USB Attached SCSI Protocol (USAP),可以完全發揮出5Gbps的高速頻寬優勢。
由於匯流排標準是近幾年才釋出,所以協議的穩定性同樣讓人擔心。傳輸距離問題,依然沒有得到解決。目前雖然市面上還沒有太多的USB3.0相機出現,不過現在國內外的工業相機廠商都在積極推進,而且有些廠商已經有相關的樣機出現,維檢視像(Microvision)已經研發並推出MV-VDM系列USB3.0工業相機。

Camera Link介面:
需要單獨的Camera Link介面,不便攜,導致成本過高。傳輸速度是目前的工業相機中最快的一種匯流排型別。一般用於高解析度高速面陣相機,或者是線陣相機上。
傳輸距離近,可傳輸距離為10米。
1394(火線):
1394介面,在工業領域中,應用還是非常廣泛的。協議、編碼方式都非常不錯,傳輸速度也比較穩定,只不過由於早期蘋果的壟斷,造成其沒有被廣泛應用。
1394介面,特別是1394B口,都有堅固的螺絲。1394介面不太方便的地方是其未能普及,因此電腦上通常不包含其介面,因此需要額外的採集卡,傳輸距離僅為4.5米。

五.如何選擇合適的工業相機鏡頭

關於如何選擇合適的工業相機鏡頭我們需要要注意以下六點:
(1)、工作距離、焦距
  工作距離和焦距一般都是結合考慮的。大多數情況下要先明確系統的解析度,再結合CCD畫素尺寸就能得知放大倍率,然後再結合空間結構約束就能得知大概的工作距離,就可以估算工業相機鏡頭的焦距。所以工業相機鏡頭的焦距和工業相機鏡頭的工作距離、系統解析度(及CCD畫素尺寸)是密切相關的。
(2)、特殊要求優先考慮
  選擇合適的工業相機鏡頭最重要的就是結合實際應用,如果有特殊的要求就應該先確定下來。比如是否需要用到遠心鏡頭,是否有測量功能,成像的景深是否很大等等。
(3)、 波長、變焦與否
  工業相機鏡頭的工作波長和是否需要變焦是較為容易先確定下來的,成像過程中需要改變放大倍率的應用,採用變焦鏡頭,否則採用定焦鏡頭就可以了。關於工業相機鏡頭的工作波長,常見的是可見光波段,也有其他波段的應用。單色光還是多色光?能否有效避開雜散光的影響?是否需要另外採取濾光措施?把這幾個問題考慮進去,再綜合衡量後確定鏡頭的工作波長。
(4)、成本和技術成熟度
  如果所有的因素考慮完之後有多項方案都能滿足要求,此時便可以考慮成本和技術成熟度,進行權衡擇優選取。
(5)、光圈和介面
  一般來說,工業相機鏡頭的光圈是影響像面亮度的主要因素。但是現在的機器視覺系統中,最終的影象亮度卻是由很多因素共同決定的:光圈、光源、積分時間、相機增益等等。所以為了獲得必要的影象亮度有比較多的環節供調整。
(6)、像面大小和像質
  選擇工業相機鏡頭的時候要考慮像面大小要與相機感光面大小是否相容,遵循“大的服從小的”原則,相機感光面不能超出鏡頭標示的像面尺寸,否則邊緣視場的像質不保。像質的要求主要關注MTF和畸變兩項。在測量應用中,尤其應該重視畸變。

六.CCD工業相機生產商

國外廠家主要有:

1.AVT成立於1989年,專注於設計、生產和銷售GigE Vision數字攝像機、Firewire工業相機和各種特種高階數字相機——如近紅外(NIR)、長波紅外(LWIR),紫外(UV),主動製冷CCD、高分高速攝像機等產品。創新的設計、上好的製造質量以及優質的服務,使得AVT在世界範圍內確立了其在機器視覺領域裡的數字攝像機解決方案的一流供應商地位。AVT旗下的Guppy Pro, Manta, Stingray, Pike系列;Prosilica GC,GS,GT,GE,GX系列及Bigeye,Bonito,Pearleye、Goldeye系列產品定能滿足視覺使用者最苛刻的成像需求。

2.Baumer堡盟是創新型影象處理元件的全球領先製造商之一,提供廣泛的適合各種應用的高品質工業相機。其核心能力涉及感測器整合、訊號處理、介面和驅動程式等所有視覺應用領域,確保將相機整合在相應的視覺系統中。產品組合包括CCD和CMOS相機,解析度從VGA到800萬畫素不等。數字相機採用各種標準介面,例如:Gigabit千兆乙太網、CameraLink® 和FireWireTM.創新技術改進,例如乙太網供電、Dual GigE、IP67、多I/O系列等相機。

3.Basler公司秉承了德國一貫的嚴謹、認真負責的工作作風,生產的CCD產品以穩定可靠的效能和優質的技術服務為業界提供全系列的CCD接入產品,Basler的 CCD產品在工業生產、產品質量檢測、航空航天、農業資源勘察、印刷質量(如造幣廠)分析、科學研究等領域有著廣泛的應用。

4.Dalsa 於 1980 年在加拿大安大略省的Waterloo成立,創辦人是成像行業的先驅、Waterloo大學電子工程專業的前任教授 Savvas Chamberlain 博士。在高階成像和機器視覺領域,DALSA是全球最大、技術最先進的CCD/CMOS晶片和相機制造商,是世界上唯一的一家同時擁有半導體制造,晶片設計\製造,相機設計\製造,影象採集處理軟硬體設計製造能力以及視覺系統整合的全線能力的高科技企業。DALSA經過幾十年的發展壯大,已成為年銷售額一億六千八百萬美元,在全球擁有1000多名員工的國際化大公司,銷售辦事處遍及北美和歐亞。

5.JAI公司成立於1963年,是世界知名的工業相機供應商,總部位於丹麥的哥本哈根,在日本、美國和英國有分支機構。JAI致力於為機器視覺使用者提供從線掃描到面掃描,從模擬到數字,從Camera Link到GigE Vision的豐富產品選擇。JAI公司尤其擅長稜鏡分光多CCD攝像機的研發和製造,是世界上最大的2CCD、3CCD及4CCD多光譜工業相機供貨商。 JAI產品具有結構緊湊、可靠性高、功能靈活、操人簡單的特點,廣泛應用於機器視覺、智慧交能、醫療、軍工等領域。其最新的C3系列GigE相機分為A(Advanced)、B(Basic)、C(Compact)三個系列,實現了模組化設計和統一的操作平臺,系列之間具有很好的繼承性。

6.Imagingsource自1990年成立以來, The Imaging Source兆鎂新已成為全球製造工業相機、影象卡及視訊轉換器的領導者, 產品系列可被廣泛地應用於工業自動化、質量檢測、物流、醫藥、科學研究及安全等領域。 完整的相機產品系列運用了工業標準化的產製原則,使The Imaging Source兆鎂新的產品具有創新且高性價比的優勢。 僅採用主流且多元的USB 3.0, USB 2.0, GigE, 1394b和1394a等介面,以落實產品皆建立在“基於標準技術”的理念上。 低整合成本與極具競爭優勢的價格 The Imaging Source兆鎂新的硬體產品發展建立於20餘年的成功工業部件規劃。 而軟體開發的豐富經驗,確保了與硬體裝置能完全相容並降低整合成本。 The Imaging Sourcee兆鎂新所製造的硬體和軟體產品皆具備堅固耐用、低整合成本與極具競爭優勢的價格。 卓越質量與簡易操作 所有的相機、影象採集卡及視訊轉換器皆是The Imaging Source兆鎂新累積數十年的專業經驗。 位於全球的應用工程師及專業影像團隊,以嚴格的標準不斷地研發而造就了卓越的質量。

國內廠家主要有:

 1、凌華科技
 凌華科技(中國)有限公司,是臺灣凌華科技集團在中國大陸設立的分公司。是一家致力於研究、製造基於PC技術的專業計算機、自動化資料量測系統及工業過程自動化控制裝置的專業廠商。
 凌華科技在影象採集卡方面具有強大的科研實力,自行研發製造的產品被廣泛應用在SCADA系統、工業、測量、智慧機器,智慧交通以及現代通訊系統、醫療裝置、航天、軍工等領域。
  
  2、大恆影象
  中國大恆(集團)有限公司北京影象視覺技術分公司簡稱為大恆影象,成立於1991年,總部在北京,是中國科學院下屬企業。 
  大恆影象自成立之日起,一直堅持走以技術開發為主的發展道路,一直致力於影象視覺領域的研究開發,建立了技工貿一體化的結構,連續十五年被中關村科技園區認定為高新技術企業。  
  在國內,大恆影象是首屈一指的專業視訊影象處理裝置供應商,同時也是著名的影象應用系統整合商和解決方案提供商。
  
  3、視覺龍  
  深圳市視覺龍科技有限公司是一家由歸國留學人員創辦的高科技企業,公司成立於2002年9月,在深圳、常州和嘉興分別設有公司。成立以來,公司一直致力於機器視覺產品的應用開發、嵌入式機器視覺系統的研發、生產以及銷售。  
  視覺龍專業涵蓋非接觸式測量(含機器視覺、位移測量等)、自動化控制、精密機械、電子、工控軟體等諸多重要領域。可以提供機器視覺單元、鏡頭、光源等硬體及軟體方面的支援和配合。  
  應用前景:在包括汽車製造、製藥、電子、包裝、印刷、菸草、日化、建材、制幣、制卡等在內的幾乎所有的現代工業自動化生產中,涉及到各種各樣的檢驗生產監 視和零件識別應用,如汽車零件批量加工,端子尺寸檢測,SMT裝配,IC的字元識別等等,通常這種帶有高度重複性和智慧性的工作只能用人的肉眼來完成,但 有些時候,如微小的尺寸要做到精確快速測量,形狀匹配,顏色識別等,人們根本無法用肉眼連續穩定地進行,其他物理感測器也難以有用武之地。視覺龍科技作為 一間專門為高要求使用者提供影象處理和機器視覺軟體及全面解決方案的公司,一直致力於機器視覺自動化的推廣,在業內已具有驕人的業績和口碑,為推動以上工業 發展做出了巨大的努力。
  
  4、凌雲光子  
  凌雲光子技術集團是致力於光通訊(OpticalCommunication)、CCD&CMOS數字成像技術和機器視覺領域(ImagingTechnology&MachineVision)的專業技術集團公司。  
  集團總部位於北京,下設北京凌雲光視數字影象技術有限公司、北京凌雲光子技術有限公司,上海凌雲天博光電技術有限公司和香港分公司,並在上海、深圳兩地設 有辦事處。公司為Bookham、Fujikura、U2T、TeraXion、VPIsystems、Avensys、EXFO等四十多家世界著名的專業技術公司 在中國做產品推廣、應用技術支援、市場拓展和渠道建設等工作,公司專注於光通訊EDFA、40Gb/sDWDM光傳輸、100Gb/sDWDM光傳輸、 ROADM、偏振、光纖鐳射器、FBG感測、光接入網傳輸等多個應用領域,為廣大使用者提供從軟體模擬、各種關鍵元器件,到測試儀表在內的整套產品解決方 案,且逐漸開始在光通訊領域開展自主研發及生產。
  
  5、康視達 
  康視達自動化科技有限公司是一家專業從事機器視覺光源、機器視覺系統整合、研發和服務的高新科技企業。公司立足於機器視覺和工業自動化領域,專注於機器視覺和運動控制的完美結合,全力打造視覺高階產品。  
  康視達研發LED機器視覺光源,形成環形光源、條形光源、線掃描光源、面光源、圓頂無影光源、平面無影光源、同軸光源、點光源、AOI裝置專用光源、錫膏印刷機專用光源等眾多系列,擁有多項專利技術。機器視覺光源是康視達公司的核心產品。  
  康視達代理國內外知名品牌的工業產品,包括:Cognex、NI、Panasonic等智慧相機,SENTECH、Teli、Hitachi、 ImagingSource工業相機,Computar、VST、Navita、Myutron工業鏡頭,以及NI影象採集卡,MCC資料採集 卡,HALCON影象處理軟體等。

參考:

http://www.mv186.com/show-list-284.html

http://blog.csdn.net/x454045816/article/details/54601920

http://www.askci.com/news/chanye/2014/08/22/153068y30.shtml