谈PC-based架构的线扫描(Line-scan)影像检测系统(from凌华)

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谈PC-based架构的线扫描(Line-scan)影像

检测系统

文 / 凌华科技自动化产品事业部黄卿

铭

机械视觉应用在各种产业的生产制造及质

量检测已是行之有年, 利用机械视觉可以

提升检测精度或加速生产速度因此逐渐变

成是许多生产检测设备必备的一环. 目前

市面上的影像检测系统大多采用面扫描

(Area-scan)的摄影机进行影像的撷取及分

析, 但是随着产品尺寸的加大(例如:PCB, LCD面板, 晶圆), 提高产能及精度的要求下, 面扫描摄影机的分辨率及取像速度无法满足这些要求的事实开始浮上?面, 而系统业者也开始意识到线扫描(Line-scan)摄影机的分辨率及取像速度才能满足这些时势所驱的产业需求.

但是线扫描的检测系统是必需利用运动速度才能取得面积影像, 而这跟面扫描的影像检测系统只要单纯的曝光即可取得面积影像的工作原理是完全不同的, 因此对于许多原本熟知面扫描影像检测系统的设计者而言, 要跨入线扫描影像检测系统除了要暸解线扫描系统的工作原理及如何选择主要组件外, 最重要也最基本的还是如何得到正确且等比例的线扫描影像.

线扫描影像检测系统架构及主要组件 :

目前线扫描系统架构除了控制的主机系统

及机构外, 主要组件分为视觉及运动控制

两大主轴.

视觉主要组件包括:线性扫描(Line-scan)

摄影机, 镜头(Lens), 灯源(Lighting),

影像采集卡(Frame Grabber).

运动控制的部份则可能包括:马达, 马达驱动器, 运动控制卡或PLC, 有时会搭配传感器(Sensor)或位置比对器作对象到位侦测辅助.

就控制主机系统来说除了运动控制外, 主要的工作内容可能就是在于影像数据的撷取及运算, 而这部份大概就已经占据系统绝大部份的资源及运算能力, 就目前市面上的线扫描影像检测系统而言, 许多大型线扫描系统甚至是一台系统机去专门处理一台高解析线扫描摄影机撷取的数据量, 以满足客户对整个系统检测运算的时间及精度需求. 当然这只是其中一种应用架构上的规划方式, 而对于线扫描可以应用的检测范围日益广泛的趋势下, 各种应用对于系统的规划以及主要组件的挑选都会有所差异, 因此笔者针对目前市面上的线扫描主要组件以及如何取到正确且等比例的线扫描影像概略的作了些整理, 提供有趣兴或刚开始接触线性扫描系统的用户作为参考.

线扫描摄影机(Line-scan Camera)

目前市面上的 Line-scan Camera 分辨率从 512, 1024,2048, 4096, 8192,12288画素(pixels)都有,通常刚开始接触线扫描系统的用户在挑选 Line-scan Camera 时, 大多只注意到分辨率是否能够符合系统的目标精度需求, 而忽略了Line-scan Camera 本身的接口规格会影响影像采集卡的选择性, 另外Camera

的设计特性究竟适不适合系统的需求, Line-scan Camera 的扫描频率

(Line-Rate)的计算方式以及为什么有些Line-scan Camera 它可以扫描的速度可以提升四倍甚至是八倍? 以下是笔者略作整理的资料

1.数据接口

目前数字工业摄影机及影像采集卡的数据接口标准包括: RS-422, RS-644或称LVDS (Low Voltage Differential Signaling), Channel Link 及Camera Link 这几种.

▪RS-422 及RS-644(LVDS) 的接口出现的较早, 由于数据格式的特性因此讯号的接口接头通常是68pin 或 100pin 的高密度接头, 但因为摄影机

厂商定义的讯号接脚不尽相同而影像卡厂商各家的定义也不太一样, 因

此在选择好 Camera 及影像卡之后不概也不太会想要轻易去变更(想想看

要去接68pin 或 100pin 的讯号线, 换个可能就代表讯号线要重作或要

再作个讯号转接板才行).

▪Channel Link 的接口原本是用来作数字平面显示器数据传输的标准(本身讯号格式也是LVDS), 特性在于接口接脚减少了但是仍然可以传输大

量的数字数据, 而它其实也就是Camera Link 标准的前身因此数据格式

也就与Camera Link 兼容, 差异在于由于当时并未定义出标准接头形式, 因此各家厂商仍采用不同型式的接头接口, 讯号线仍然必需定制.

▪Camera Link 的标准是由数家工业摄影机及影像卡大厂共同制定出来的, 标准的本身是基于Channel Link 的特性, 并定义出标准的接头也就是讯号线也标准化了, 让Camera及影像卡的讯号传输更简单化了, 同时定义

出基本架构(Base Configuration), 中阶架构(Medium Configuration), 及完整架构(Full Configuration) 的讯号接脚规范以及传输数据量.

2.Line-scan Camera 的数据输出形式

目前的Line-scan Camera 撇开分辨率不谈, 通常Line-scan Camera 本身的数据产生频率都不会大于60MHz, 也许你会怀疑那么为什么有的机种可以到

80MHz,160MHz甚至是320MHz呢? 其主要的原理是利用多重输出的方式去加速取像速度, 而目前市面上一般的 Line-scan Camera 输出方式有单输出(Single Tap), 双输出(Dual Taps), 三输出(Triple Taps), 四输出(Quad Taps)及八输出(Octal Taps) 这几种.

电二极管在感光后即将光转成电荷讯号透过单一输出将数据传递出去. Line Rate = Camera Data Clock / Camera Pixels

双输出 (Dual Taps) - 奇偶输出

通常是在高解析或为了提高Line-scan Camera 传输速度的设计, 它的

特性是整个线性CCD的每个光电二极管在感光后分成奇数及偶数将光转成电荷讯号分成两组将数据传递出去.

Line Rate = (Camera Data Clock / Camera Pixels) x 2

要是不小心设定成单输出时的影像, 就会如同右下图所示影像会有垂直的空隙, 影像在放大时便会发现 pixel 跟pixel 中间的黑色影像其实数据都是空的.

双输出 (Dual Taps) - 前后段输出

设计目的与上面的双输出是大致相同的, 主要的差异在于它是将整个

线性CCD的每个光电二极管在感光后分成前半段及后半段将光转成电荷讯号分成两组将数据传递出去.

Line Rate = (Camera Data Clock / Camera Pixels) x 2

要是不小心设定成单输出时的影像, 就会如同右下图所示影像只有一半, 另一半变成是黑色资料都是空的