關(guān)鍵詞：PS-based架構(gòu) 線掃描影像檢測(cè)系統(tǒng)

一、前言

        機(jī)械視覺應(yīng)用在各種產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)制造及品質(zhì)檢測(cè)已是行之有年, 利用機(jī)械視覺可以提升檢測(cè)精度或加速生產(chǎn)速度，因此逐漸變成許多生產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備必備的一環(huán)。

       目前市面上的影像檢測(cè)系統(tǒng)大多采用面掃描(Area-scan)的攝影機(jī)進(jìn)行影像的采集及分析, 但是隨著產(chǎn)品尺寸的加大(例如:PCB, LCD面板, 晶圓), 在提高產(chǎn)能及精度的要求下, 面掃描攝影機(jī)的分辨率及取像速度無法滿足這些要求的事實(shí)開始浮上枱面而系統(tǒng)業(yè)者也開始意識(shí)到線掃描(Line-scan)攝影機(jī)的分辨率及取像速度才能滿足這些時(shí)勢(shì)所驅(qū)的產(chǎn)業(yè)需求。

       但是線掃描的檢測(cè)系統(tǒng)必需利用運(yùn)動(dòng)速度才能取得面積影像。這跟面掃描的影像檢測(cè)系統(tǒng)只要單純的曝光即可取得面積影像的工作原理是完全不同的。 因此對(duì)于許多原本熟知面掃描影像檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言， 要跨入線掃描影像檢測(cè)系統(tǒng)除了要了解線掃描系統(tǒng)的工作原理及如何選擇主要組件外，最重要也是最基本的是如何得到正確且等比例的線掃描影像。

二、線掃描影像檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)及主要組件

       目前線掃描系統(tǒng)架構(gòu)除了控制的主機(jī)系統(tǒng)及機(jī)構(gòu)外, 主要組件分為視覺及運(yùn)動(dòng)控制兩大主軸。

       視覺主要組件包括:線性掃描(Line-scan)攝影機(jī), 鏡頭(Lens),燈源(Lighting), 影像采集卡(Frame Grabber)。

       運(yùn)動(dòng)控制的部份則可能包括:馬達(dá), 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器, 運(yùn)動(dòng)控制卡或PLC, 有時(shí)會(huì)搭配傳感器(Sensor)或位置比對(duì)器作對(duì)象到位偵測(cè)輔助。

       就控制主機(jī)系統(tǒng)來說除了運(yùn)動(dòng)控制外, 主要的工作內(nèi)容在于影像數(shù)據(jù)的采集及運(yùn)算, 而這部份已經(jīng)占據(jù)系統(tǒng)絕大部份的資源及運(yùn)算能力, 就目前市面上的線掃描影像檢測(cè)系統(tǒng)而言, 許多大型線掃描系統(tǒng)甚至是一臺(tái)系統(tǒng)機(jī)去專門處理一臺(tái)高解析線掃描攝影機(jī)采集的數(shù)據(jù)量, 以滿足客戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)運(yùn)算的時(shí)間及精度需求。當(dāng)然這只是其中一種應(yīng)用架構(gòu)上的規(guī)劃方式, 在線掃描可以應(yīng)用的檢測(cè)范圍日益廣泛的趨勢(shì)下, 各種應(yīng)用對(duì)于系統(tǒng)的規(guī)劃以及主要組件的挑選都會(huì)有所差異, 因此筆者針對(duì)目前市面上的線掃描主要組件以及如何取到正確且等比例的線掃描影像概略的作了些整理, 提供有興趣或剛開始接觸線性掃描系統(tǒng)的使用者作為參考。

    1、線掃描攝影機(jī)(Line-scan Camera)

       目前市面上的 Line-scan Camera 分辨率從 512, 1024,2048, 4096, 8192,至12288像素(pixels)都有,通常剛開始接觸線掃描系統(tǒng)的使用者在挑選 Line-scan Camera 時(shí), 大多只注意到分辨率是否能夠符合系統(tǒng)的目標(biāo)精度需求, 而忽略了Line-scan Camera 本身的接口規(guī)格會(huì)影響影像采集卡的選擇性, 另外Camera的設(shè)計(jì)特性究竟適不適合系統(tǒng)的需求, Line-scan Camera 的掃描頻率(Line-Rate)的計(jì)算方式以及為什么有些Line-scan Camera掃描的速度可以提升四倍甚至是八倍? 以下是筆者略作整理的資料

    （1）數(shù)據(jù)接口

    目前數(shù)字工業(yè)攝影機(jī)及影像采集卡的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)包括: RS-422, RS-644或稱LVDS (Low Voltage Differential Signaling), Channel Link 及Camera Link 這幾種。

    ① RS-422 及RS-644(LVDS)的接口出現(xiàn)的較早, 由于數(shù)據(jù)格式的特性訊號(hào)的接口接頭通常是68pin 或 100pin 的高密度接頭, 但因?yàn)閿z影機(jī)廠商定義的訊號(hào)接腳不盡相同而影像卡廠商各家的定義也不太一樣, 因此在選擇好 Camera 及影像卡之后一般也不太會(huì)想要輕易去變更(想想看要去接68pin 或 100pin 的訊號(hào)線, 換個(gè)可能就代表訊號(hào)線要重作或要再作個(gè)訊號(hào)轉(zhuǎn)接板才行)。

    ② Channel Link 的接口原本是用來作數(shù)字平面顯示器數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)(本身訊號(hào)格式也是LVDS), 特性在于接口接腳減少了但是仍然可以傳輸大量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù), 而它其實(shí)也就是Camera Link 標(biāo)準(zhǔn)的前身，因此數(shù)據(jù)格式也就與Camera Link 兼容, 差異在于由于當(dāng)時(shí)并未定義出標(biāo)準(zhǔn)接頭形式, 因此各家廠商仍采用不同型式的接頭接口, 訊號(hào)線仍然必需定制。

    ③ Camera Link 的標(biāo)準(zhǔn)是由數(shù)家工業(yè)攝影機(jī)及影像卡大廠共同制定出來的, 標(biāo)準(zhǔn)的本身是基于Channel Link 的特性, 并定義出標(biāo)準(zhǔn)的接頭也就是訊號(hào)線也標(biāo)準(zhǔn)化了, 讓Camera及影像卡的訊號(hào)傳輸，同時(shí)定義出基本架構(gòu)(Base Configuration), 中階架構(gòu)(Medium Configuration), 及完整架構(gòu)(Full Configuration) 的訊號(hào)接腳規(guī)范以及傳輸數(shù)據(jù)量。

   （2）Line-scan Camera 的數(shù)據(jù)輸出形式

    目前的Line-scan Camera 撇開分辨率不談, 通常Line-scan Camera 本身的數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率都不會(huì)大于60MHz, 也許你會(huì)懷疑那么為什么有的機(jī)種可以到80MHz,160MHz甚至是320MHz呢? 其主要的原理是利用多重輸出的方式去加速取像速度,目前市面上一般的 Line-scan Camera 輸出方式有單輸出(Single Tap), 雙輸出(Dual Taps), 三輸出(Triple Taps), 四輸出(Quad Taps)及八輸出(Octal Taps) 這幾種。

    ① 單輸出 (Single Tap)

    通常是在低解析或低速的 Line-scan Camera 上的設(shè)計(jì), 它的特性是整個(gè)線性CCD的每個(gè)光電二極管在感光后即將光轉(zhuǎn)成電荷訊號(hào)通過單一輸出將數(shù)據(jù)傳遞出去。

Line Rate = Camera Data Clock / Camera Pixels 

    ② 雙輸出 (Dual Taps)-奇偶輸出

        通常是在高解析或?yàn)榱颂岣週ine-scan Camera 傳輸速度的設(shè)計(jì), 它的特性是整個(gè)線性CCD的每個(gè)光電二極管在感光后分成奇數(shù)及偶數(shù)將光轉(zhuǎn)成電荷訊號(hào)分成兩組將數(shù)據(jù)傳遞出去。

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

要是不小心設(shè)定成單輸出時(shí)的影像, 就會(huì)如同右下圖所示影像會(huì)有垂直的空隙, 影像在放大時(shí)便會(huì)發(fā)現(xiàn) pixel 跟 pixel 中間的黑色影像，其實(shí)數(shù)據(jù)都是空的。

    ③ 雙輸出 (Dual Taps)-前后段輸出

    設(shè)計(jì)目的與上面的雙輸出是大致相同的, 主要差異在于它是將整個(gè)線性CCD的每個(gè)光電二極管在感光后分成前半段及后半段，將光轉(zhuǎn)成電荷訊號(hào)分成兩組將數(shù)據(jù)傳遞出去。

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

要是不小心設(shè)定成單輸出時(shí)的影像, 就會(huì)如同右下圖所示影像只有一半, 另一半變成黑色資料都是空的 

    ④ 三輸出 (Triple Taps)

    通常是用在R, G, B 三CCD 的 Line-scan Camera, 棱鏡會(huì)依據(jù)光譜的波長(zhǎng)特性(紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng), 再來是綠光, 再來是藍(lán)光)而分別將光線投射至紅, 綠, 藍(lán)三組CCD, 而每個(gè)CCD 也將會(huì)各別將光轉(zhuǎn)成電荷訊號(hào)作輸出。

    雖然3 CCD各別有獨(dú)立的 Data Clock, 但是因?yàn)楸匦枰猂, G, B 的數(shù)據(jù)組合在一起才會(huì)變成線性的彩色影像, 所以實(shí)際速度并沒有因?yàn)槊總€(gè)CCD 有獨(dú)立的 Data Clock而加快。

Line Rate = 3 x Camera Data Clock / Camera Pixels / 3 

    ⑤ 四輸出 (Quad Taps)

    通常是在高解析或?yàn)榱颂岣週ine-scan Camera 傳輸速度的設(shè)計(jì), 結(jié)合了雙輸出的奇偶輸出加上前后段輸出的特性分成四組, 讓取像速度加快變成四倍。

Line Rate = (Camera Data Clock / Camera Pixels) x 4

⑥ 八輸出 (Octal Taps)

    目前這類的設(shè)計(jì)是出現(xiàn)在超高分辨率(例如:12288pixel)的機(jī)種上, 除了分出前后段，而且各分出四組輸出, 因此取像速度可以提高成八倍而不會(huì)因?yàn)榉直媛屎芨叨尵€周期(Line Period) 拖太長(zhǎng)。

Line Rate = (Camera Data Clock / Camera Pixels) x 8 

    另外市面上還有一種 TDI (Timing Delay Integration) 型式的Line-scan Camera, 大致工作原理如下:

    TDI Line-scan Camera

    它的CCD 結(jié)構(gòu)上較為特殊, 并非是單排的光電二極管而是96排的光電二極管下去一起感光作用, 也就是同樣的一次曝光時(shí)間下, 它會(huì)累積 96排光電二極管的光量去轉(zhuǎn)換成電荷訊號(hào)之后再傳輸出去, 由于累積的亮度較一般Line-scan camera 來得高, 故較適合應(yīng)用在光線較暗無法提供充足亮度的系統(tǒng)上。

    但是這種TDI 的型式十分注重取像頻率及運(yùn)動(dòng)速度的一致性, 要是運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)的狀況下取像出來會(huì)有模糊的情形。

    （3）Line-scan Camera 的同步及曝光模式

    目前Line-scan Camera 具備了下列內(nèi)同步及外同步的取像模式。

Free Run Mode－通常又稱內(nèi)同步(Synchronization Mode)模式,攝影機(jī)廠商在出廠時(shí)都會(huì)設(shè)定為此模式因此又有人稱之為Factory Mode, 這種同步模式是依照Camera 本身內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)序去作曝光取像, 因此這種同步模式運(yùn)作下影像卡無法主導(dǎo)Camera取像的時(shí)間點(diǎn), 因此影像卡是處于被動(dòng)接收數(shù)據(jù)的角色。 而內(nèi)同步模式取像的曝光模式又可以分為 Edge-controlled Mode 及 Programmable Mode。

    a. Free Run, Edge-controlled Mode

曝光時(shí)間與線周期時(shí)間相等, 由一組內(nèi)部控制訊號(hào)產(chǎn)生一個(gè)上升方波作為開始曝光取像訊號(hào), 直到下一條線周期的上升方波訊號(hào)進(jìn)來時(shí)便將影像送出。

b. Free Run, Programmable Mode

在內(nèi)部控制訊號(hào)產(chǎn)生一個(gè)方波, 當(dāng)方波下降時(shí)即開始作曝光取像, 此為縮短曝光時(shí)間的模式(一般可以透過Camera 設(shè)定工具達(dá)成), 但是線周期時(shí)間還是維持不變。 

    ExSync. Mode－即是所謂的外同步(External Synchronization Mode)模式, Camera 本身并不會(huì)主動(dòng)產(chǎn)生時(shí)序去作曝光取像, 而是通過影像卡傳送Reset訊號(hào)去通知Camera作曝光取像, 外同步模式取像的曝光模式又可分為Edge-controlled Mode, Level-controlled Mode及Programmable Mode。

    a. ExSync., Edge-controlled Mode

由外部送來的訊號(hào)作為同步觸發(fā)訊號(hào), 主要是取上升方波作為開始曝光取像訊號(hào), 由外同步訊號(hào)的周期時(shí)間決定曝光取像時(shí)間及線周期。 

 b. ExSync., Level-controlled Mode

由外部送來的訊號(hào)作為同步觸發(fā)訊號(hào), 主要是取方波下降時(shí)作為開始曝光取像, 但整個(gè)線周期時(shí)間還是由外同步訊號(hào)周期時(shí)間決定。 

c. ExSync., Programmable Mode

由外部送來的訊號(hào)作為同步觸發(fā)訊號(hào), 但此上升方波僅作為開始曝光的決定訊號(hào), 曝光時(shí)間長(zhǎng)短可由使用者設(shè)定, 同時(shí)此設(shè)定的曝光時(shí)間也決定線周期時(shí)間。

    （4）Line-scan Camera 的掃描頻率計(jì)算方式

    Line-scan Camera 的掃描頻率的計(jì)算方式如下, 主要是Camera 的數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率(Data Clock)及分辨率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

    掃描頻率(Line Rate) = Camera數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率 / Camera 分辨率Ex. Line Rate = 40MHz / 8192 pixels ≒ 4.8KHz (有時(shí)廠商訂的規(guī)格數(shù)據(jù)會(huì)比計(jì)算量低, 但還是需以廠商訂定為準(zhǔn))。

也就是說這臺(tái)Camera 最高速度可以每秒取得大約4800條 8192 pixels 的線性影像數(shù)據(jù)，線周期(Line Period) = 1/ Line Rate, 也就是上述規(guī)格的攝影機(jī)每掃描一條線至少需要花費(fèi)208us左右。

    （5）如何計(jì)算線性掃描(Line-scan)攝影機(jī)的可視范圍(FOV, Field of View)

    可視范圍(FOV) = Pixel cell size x 多少個(gè) pixels x 工作距離 / 鏡頭焦距(Focal Length)。

    Ex. FOV = 10um x 2048pixels x 160mm / 55mm =59.578mm。

    Line-scan Camera 由于CCD sensor 的制程不一樣或分辨率不一樣, 因此每顆CCD上的光電二極管(Photodiode) 也就是所謂的每個(gè)pixel 的尺寸大小不一定相同, 也就是說就算是同樣選擇 2048 pixels的Line-scan Camera, 假若 A公司用的 CCD Sensor 的 Pixel cell 的尺寸為 10um, 但 B公司用的 CCD Sensor 的 pixel cell 為 7um, 那么就算是同樣的工作距離及同樣的 Focal Length 條件下, 兩家公司的Camera FOV仍然是不相等。

    2、影像采集卡的選擇

    Line-scan Camera 由于取像數(shù)據(jù)量大因此多為數(shù)字式, 目前影像采集卡主要就是以DSP架構(gòu)跟非DSP架構(gòu)兩大主流。 DSP架構(gòu)的影像采集卡一般價(jià)格較高,但是通常它在取得影像之后即可通過DSP先行將影像作前處理(例如:白平衡, 轉(zhuǎn)換對(duì)照表(LUT, Look-up Table), 濾鏡(Filter)處理, 遮光校正(Shading Correction), 甚至是掃描延遲補(bǔ)償(Scan-delay compensation), 功能依據(jù)不同影像卡廠商設(shè)計(jì)提供而有所差異) 因此較為節(jié)省系統(tǒng)的后段計(jì)算處理時(shí)間。 至于非DSP架構(gòu)的影像卡主要以快速取像為主，大多具備DMA (Direct Memory Access) 功能以取得較大的內(nèi)存避免數(shù)據(jù)遺失(當(dāng)然DSP卡大部份也會(huì)具備這個(gè)功能, 但是DSP卡去執(zhí)行DMA的動(dòng)作時(shí)影像大多已經(jīng)過前處理而非原始數(shù)據(jù)), 之后再以編程方式由CPU去計(jì)算處理, 雖然DSP架構(gòu)可以作影像前處理節(jié)省系統(tǒng)時(shí)間, 但由于影像卡廠商大多不開放給使用者自行更改, 故在價(jià)格及功能彈性上的考慮而言國(guó)內(nèi)市場(chǎng)使用者還是以非DSP架構(gòu)居多。

    此外, 在選擇影像卡時(shí)系統(tǒng)取像的最大可能數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)接口也是考慮因素的一部份, 以資料量來說目前市面上的影像采集卡多為32-bit, 33MHz 或 64-bit,66MHz 的PCI bus 接口, 在選擇影像卡時(shí)必需要先計(jì)算取像時(shí)的最大可能數(shù)據(jù)量, 同時(shí)必需考慮同一系統(tǒng)上其它控制卡的數(shù)據(jù)量會(huì)占多少頻寬, 最常被忽略的就是網(wǎng)絡(luò)傳輸端口本身也是占用PCI頻寬的一份子, 因此最好保持PCI Bus 頻寬的充裕性, 再不然就是選擇影像采集卡本身有內(nèi)建內(nèi)存的規(guī)格以確保不會(huì)因?yàn)轭l寬不夠而導(dǎo)致數(shù)據(jù)遺失的狀況。

    前面有提到Line-scan Camera 數(shù)據(jù)接口目前有分RS-422, RS-644(LVDS), Channel Link 及Camera Link 的格式, 基本上RS-422及RS-644(LVDS) 的數(shù)據(jù)格式完全不一樣故影像采集卡也各自獨(dú)立 ; 但是Channel Link 及Camera Link 的數(shù)據(jù)格式則完全兼容, 故一般選用Camera Link 規(guī)格接口的影像采集卡即可。 如前面提到的 Camera Link 有區(qū)分: 基本架構(gòu)(Base Configuration), 中階架構(gòu)(Medium Configuration), 及完整架構(gòu)(Full Configuration), 每個(gè)架構(gòu)除了傳輸資料量不同外, 對(duì)于可以支持的 Camera Link 攝影機(jī)輸出模式也有定義如下:

    因此在選擇Camera Link 影像卡時(shí)需考慮其架構(gòu)規(guī)格是否能支持前端的攝影機(jī)輸出模式。

    3、光源的選擇

    在選擇輔助光源時(shí),切勿將區(qū)域掃描(Area-scan)用的交流電(AC Power)光源在線性掃描(Line-scan)上,線性掃描應(yīng)該選用交流電(DC Power)光源作為輔助, 以下是簡(jiǎn)單的介紹有關(guān)攝影機(jī)曝光成像時(shí)間與光源頻率之間的互動(dòng)關(guān)系。

① 下圖所示為一般區(qū)域掃描 (Area-scan) 攝影機(jī) (取像速度大約在30fps) 在一般室內(nèi)日光燈源 (交流電源, 頻率為60Hz) 下的示波器取像訊號(hào)。日光燈的閃爍頻率對(duì)這樣的攝影機(jī)的曝光時(shí)間而言, 并不會(huì)有太大影響, 使用者仍然可以取得亮度均勻的影像。 

    ② 下圖所示為將區(qū)域掃描攝影機(jī)的快門調(diào)快, 這也就會(huì)造成曝光時(shí)間變短, 這時(shí)候攝影機(jī)明顯受到日光燈的閃爍頻率所影響, 在光線閃爍的亮暗之間取像出來的影像也會(huì)出現(xiàn)忽明忽暗的情形。 

    ③ 線性掃描的曝光時(shí)間通常都是在Micro-second 等級(jí), 因此假若是使用日光燈源用在線性掃描攝影機(jī)上, 那么呈現(xiàn)出來的影像就會(huì)如同下圖的影像一樣, 會(huì)出現(xiàn)周期性的亮暗不均影像。 

    除了交流電的光源閃爍頻率問題外, 另外光源的選擇及使用上還有下列幾點(diǎn)注意事項(xiàng):

    ① 光源的色溫－只要是彩色取像對(duì)色純度有絕對(duì)的要求時(shí), 那么不論是Area-scan 還是Line-scan 的攝影機(jī)在選擇燈源上都應(yīng)選用白光, 偏黃或偏其它顏色的光源都會(huì)導(dǎo)致色偏的問題。 另外表面易有反射的待測(cè)物體應(yīng)使用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的偏紅光源或冷光燈源, 波長(zhǎng)較短的白光(例如:同軸落射光源或金屬燈源)易讓反射問題更嚴(yán)重。

    ② 光源的均勻度－Line-scan Camera故名思義它的感光區(qū)域只有在那細(xì)細(xì)的一條CCD區(qū)域上, 因此較適合使用線性燈源例如:高周波熒光燈管或加光纖導(dǎo)管的線性燈源(建議在線性導(dǎo)光管前面加上聚光鏡, 可以強(qiáng)化光的強(qiáng)度避免光線散開同時(shí)可以延長(zhǎng)燈源的壽命), 至于Area-scan 常會(huì)使用的LED燈源通常會(huì)作一些外緣形狀的排列(例如:環(huán)形或矩形), 同時(shí)當(dāng)排列角度及安裝位置或距離不一樣時(shí), LED所交錯(cuò)出來的光源強(qiáng)度及位置也會(huì)有所不同, 因此不建議使用在Line-scan Camera 取像輔助。

    ③ 燈源的生命周期－一般的燈泡或燈管都會(huì)有生命周期從數(shù)千小時(shí)到上萬小時(shí)的都有, 在使用上要注意何時(shí)應(yīng)更換燈泡或燈管, 依據(jù)特性不一樣例如:鹵素?zé)粼丛谏芷诘哪┢谑橇炼葷u漸變暗, 但是有些金屬燈源例如:金屬鹵素(Metal Halid)或氙氣(Xenon)燈泡到生命周期末則可能是突然完全不亮, 因此在選擇及使用上時(shí)都應(yīng)注意燈源的生命周期以避免影響系統(tǒng)的取像運(yùn)作。

    ④ 光源的架設(shè)位置－線掃描的光源架設(shè)位置主要是以Line-scan Camera 的CCD可以感光的區(qū)域?yàn)橹? 但是依據(jù)待測(cè)物體的材質(zhì)特性則架設(shè)位置也會(huì)有所不同, 例如:透明的玻璃或壓克力材質(zhì)其光源可采用背光位置, 至于不透明材質(zhì)則可以由上或側(cè)邊投射光源, 但最好在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)注意一下燈源的投射角度及范圍是否提供CCD足夠且均勻的光線。

    4、鏡頭的選擇

    一般在選擇鏡頭時(shí)可以看到鏡頭規(guī)格標(biāo)示例如: 55mm/f2.8, 前面的55mm 即代表了焦距(Focal Length), 而后面的f2.8則代表最大光圈(Maximum Aperture, 數(shù)字越小入光量越大), 焦距長(zhǎng)就代表景深越深(可以看的范圍也會(huì)加大)但同時(shí)入光量也會(huì)越小, 所以必需盡量選擇入光量較大的規(guī)格為佳。 目前市面上的鏡頭以C-Mount 及CS-Mount  接環(huán)規(guī)格的鏡頭種類及規(guī)格型式最齊全, 因?yàn)榇蠖鄶?shù)從監(jiān)控保全攝影機(jī)到工業(yè)級(jí)模擬攝影機(jī)大多設(shè)計(jì)這兩種接環(huán)規(guī)格 (C-Mount跟CS-Mount的差異在于背焦距離不一樣, 背焦距離是由CCD Sensor表面至鏡頭接環(huán)口平面之間的距離,C-Mount的背焦距離是12.52mm, CS-Mount則是17.52mm), 但是就Line-scan Camera 而言通常只要分辨率大于2048pixels(含)以上, 攝影機(jī)廠商便會(huì)將接環(huán)設(shè)計(jì)成F-Mount (背焦距離為12mm), 主要的原因在于C-Mount跟CS-Mount 的接環(huán)內(nèi)徑大約只有26mm, 而接環(huán)內(nèi)徑再扣掉鏡頭的外殼實(shí)際入光的內(nèi)徑范圍頂多20mm, 再加上光線進(jìn)入到變焦鏡頭時(shí)CCD通常以中心地區(qū)的感光最好外緣感光最差,有些2048pixels的攝影機(jī)雖然提供C-Mount接環(huán)讓使用者更容易選購鏡頭, 但取像后外緣影像亮度通常會(huì)比較暗造成影像亮度不均的情形, 因此對(duì)于2048pixels以上的Line-scan Camera 來說采用F-Mount (接環(huán)內(nèi)徑約43mm) 鏡頭較佳, 但 F-mount 規(guī)格的鏡頭多設(shè)計(jì)用于單眼攝影像機(jī)用途, 故規(guī)格不如C-Mount 及CS-Mount 鏡頭來得多樣化同時(shí)價(jià)格上較高。

另外像超高分辨率例如:8196pixels或12288pixels 的 Line-scan camera 通常除了特制接環(huán)的鏡頭規(guī)格外, 部份廠商仍以提供F-Mount 規(guī)格但提供軟件的遮光校正(Shading Correction)功能去解決影像亮度外緣不均的問題。

    5、運(yùn)動(dòng)控制的種類與特性

    （1）PLC vs. PC Based

    運(yùn)動(dòng)控制以PLC起源較早, 而PC-based 的運(yùn)動(dòng)控制是近十年的趨勢(shì), 但是早期使用慣PLC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者很難快速的由PLC轉(zhuǎn)移到 PC-based 上, 主要的原因是硬件的控制架構(gòu)及編程的邏輯與接口幾乎是完全不同, 因此至今PLC仍維持一定的使用族群及市占率。 但就實(shí)務(wù)面上而言, 建立一套線性掃描的影像系統(tǒng)它的運(yùn)動(dòng)控制究竟是PC-based 還是PLC較為合適, 以下訊息可以提供作為參考。

    1) PLC 架構(gòu)本身是透串行訊號(hào)(RS-232或RS-485)下達(dá)運(yùn)動(dòng)速度位置等指令, 這種架構(gòu)在作Area-scan 的影像系統(tǒng)搭配上問題不大, 但是一旦應(yīng)用在Line-scan 的影像系統(tǒng)時(shí), 由于 Line-scan 對(duì)于每條 Line 的觸發(fā)取像位置要求十分高, 再加上Encoder上的訊號(hào)都為相位訊號(hào)(AB phase)無法直接用來作觸發(fā)訊號(hào), 因此需要使用橋接接口的轉(zhuǎn)換后再將訊號(hào)送給影像處理平臺(tái), 常見有下列幾種方式。

    ① 外加一臺(tái)計(jì)算機(jī)上面加一片位置比對(duì)卡接收Encoder的訊號(hào)加以編譯。

    ② 在Encoder外面再加一組轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)成TTL或LVDS訊號(hào)。

    ③ 外掛一臺(tái)位置比對(duì)器(價(jià)格貴, 少見) 或光學(xué)尺。

    ④ 或其它橋接模式。

    盡管有上述的方式可以去作到位置比對(duì), 但是畢竟是透過橋接而取得,因此遇到高速取像時(shí)訊號(hào)遺失的機(jī)會(huì)便非常高。

    2) PC-based 架構(gòu)是利用運(yùn)動(dòng)控制卡送出指令脈沖(Command Pulse)去下達(dá)位置及速度, 并通過Encoder傳回馬達(dá)的反饋脈沖(Feedback Pulse), 同時(shí)可以在行進(jìn)過程中進(jìn)行位置比對(duì)功能(部份運(yùn)動(dòng)控制卡并不具備這類功能), 并且在到位之后送出TTL或LVDS的到位訊號(hào)作為外同步偶觸發(fā)或連續(xù)觸發(fā)訊號(hào)去觸發(fā)Line-scan Camera 取像, 由于無需經(jīng)過橋接接口的轉(zhuǎn)換因此可讓Line-scan的每條Line的觸發(fā)取像同步且正確。

    6、皮帶/線性滑軌/滾珠螺桿

    另外在運(yùn)動(dòng)控制機(jī)臺(tái)的選擇上, 目前常見的有皮帶, 線性滑軌及滾珠螺桿這幾種基本形式或龍門式綜合使用。

    皮帶－不建議使用在Line-scan 的取像主軸上, 因?yàn)橥ǔＦey的間距對(duì)Line-scan 而言不夠精細(xì)且容易有跳格的情形。

    線性滑軌－在極速運(yùn)動(dòng)下或保養(yǎng)不好的狀況下容易有失步的情形。

    滾珠螺桿－有單向背隙(Backlash)的問題, 但由于每支滾珠螺桿的背隙通常是固定的(大部份制造廠商會(huì)附上背隙規(guī)格數(shù)據(jù)), 因此是屬于可計(jì)算補(bǔ)償且不致于影響Line-scan 的位置比對(duì)及觸發(fā)取像。

   7、光學(xué)尺的主要作用

    一般而言是可以透過位置比對(duì)得到馬達(dá)目前的運(yùn)行位置, 但是任何一組運(yùn)動(dòng)控制機(jī)臺(tái), 在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行及磨損下難免會(huì)產(chǎn)生機(jī)構(gòu)上的變形誤差, 因此不論是Area-scan 或 Line-scan 的系統(tǒng)平臺(tái), 通常只要是系統(tǒng)要求絕對(duì)的精度跟重現(xiàn)性時(shí), 建議最好在上面加一個(gè)光學(xué)尺以增加精確度。

三、如何得到等比例的線掃描影像

    在對(duì)線性掃描影像組件有了概念之后, 接下來要介紹的是實(shí)務(wù)面上的部份。由于Line-scan Camera 每次感光成像都是只有一條線的FOV, 因此必需要透過運(yùn)動(dòng)速度下的連續(xù)取像才會(huì)形成面積影像, 也就是說每套線性掃描影像系統(tǒng)它至少是含一軸以上的運(yùn)動(dòng)控制才能取像運(yùn)作。 但是并不是有連續(xù)的運(yùn)動(dòng)就可以取到正確的影像, 通常運(yùn)動(dòng)速度要是跟取像頻率不一致時(shí)則取像出來的結(jié)果不是變形再不然就是有些線段數(shù)據(jù)根本沒掃描到而造成數(shù)據(jù)遺失, 因此如何取得正確而且等比例的線性掃描影像, 筆者在此提供包括基礎(chǔ)測(cè)試及整合測(cè)試的參考要點(diǎn)。

1、基礎(chǔ)測(cè)試 

    （1）馬達(dá)運(yùn)動(dòng)控制

    PC-based的系統(tǒng)大多通過運(yùn)動(dòng)控制卡去跟馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行溝通進(jìn)而讓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)至目標(biāo)位置, 因此在運(yùn)動(dòng)控制的基本動(dòng)作上首要確認(rèn)運(yùn)動(dòng)控制卡所發(fā)出的指令脈沖(Command Pulse)必需要跟編碼器(Encoder)的回饋脈沖(Feedback Pulse)調(diào)整一致, 再來便是確認(rèn)每送出一個(gè) Command Pulse 時(shí)實(shí)際移動(dòng)多少距離。

    實(shí)作測(cè)試：

    a.先確定Command Pulse = Feedback Pulse

    b.送出Command Pulse 之后再量測(cè)實(shí)際的移動(dòng)距離, 例如:送出 Command Pulse =10,000 實(shí)際移動(dòng)距離為10mm時(shí), 則代表1Pulse = 1um, 有了這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)于后面的Line-scan觸發(fā)位置就較為準(zhǔn)確。

    （2）Line-scan Camera取像測(cè)試

    由于Line-scan Camera 并不像 Area-scan Camera 有較大的感光面積, 因此第一次使用 Line-scan Camera 的使用者都會(huì)對(duì)于幾乎看不到光影成像(特別是把鏡頭裝上去之后)而感到困惑, 進(jìn)而懷疑到底是 Line-scan Camera 沒設(shè)定好還是壞掉了, 有時(shí)甚至懷疑是不是影像卡的問題, 以下是幾個(gè)簡(jiǎn)單的檢查方法。

    a.將Line-scan Camera 接至影像采集卡, 利用 Line-scan Camera 廠商提供的設(shè)定工具程序 (一般都可以從廠商的網(wǎng)站上下載), 先確定Camera 設(shè)為內(nèi)同步模式之后再利用影像采集卡的取像工具程序(必需要設(shè)定選擇該款Camera 的設(shè)定檔案)先試取像, 取像時(shí)可以不用裝鏡頭而直接將Line-scan Camera 的CCD Sensor 直接面對(duì)燈光,正常取到像時(shí)可以看到光線的反應(yīng)。

    b.另一種方式是利用Line-scan Camera 內(nèi)建的測(cè)試影像(Test Image, 或有的稱之為Test pattern) 去測(cè)試, 首先必需要使用Camera的設(shè)定工具程序?qū)⑤敵瞿Ｊ礁脑O(shè)定為輸出Test Pattern, 則正常狀況下影像采集卡那端就會(huì)接收到Test Pattern 的影像。

    c.當(dāng)上述方法皆取不到影像且影像卡的取像工具程序顯示沒有訊號(hào)輸入時(shí), 則有下列幾種可能：

· Camera 接到影像卡的連接端口設(shè)定錯(cuò)誤, 例如明明接到B接頭卻設(shè)定成A接頭

· Line-scan Camera 電源沒接

· Camera 的訊號(hào)線有問題, 請(qǐng)換條線試試

· 最糟的狀況－Camera 有問題需要換另外一臺(tái)試試

    d.當(dāng)然影像卡壞掉的狀況也不無可能, 但最好是先到系統(tǒng)的硬件管理員下先查看是否是驅(qū)動(dòng)程序沒裝好,或者是驅(qū)動(dòng)有裝了但是還是認(rèn)不到卡, 要是連卡都認(rèn)不到時(shí)請(qǐng)換個(gè)PCI插槽或計(jì)算機(jī)試試, 要是還是認(rèn)不到卡那么就趕快送修。

    2、整合測(cè)試

    （1）Line-scan Camera 與燈源搭配之取像

    在確定Line-scan Camera 跟影像卡的取像功能正常之后, 接下來的動(dòng)作則是要把Line-scan Camera 架起來至機(jī)臺(tái)的預(yù)定工作距離的位置, 之后把輔助燈源架上去(建議機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上預(yù)留可以調(diào)整位置及角度的彈性), 確定光源的投射位置可以讓Line-scan Camera 的CCD Sensor 感光(注意: 線性燈源的方向性應(yīng)與Linear CCD 呈水平), 然后放一張白色紙張?jiān)诖郎y(cè)區(qū)再作一次取像測(cè)試, 這個(gè)動(dòng)作主要是要先確定光源的架設(shè)位置及角度是否正確, 白色紙張可以輔助確認(rèn)光源的均勻度。

    關(guān)于Camera 的架設(shè)位置, 有些系統(tǒng)設(shè)計(jì)者會(huì)考慮讓待測(cè)體固定位置不動(dòng), 反而讓Line-scan Camera 固定在可以運(yùn)動(dòng)的軸承或機(jī)械手臂上, 關(guān)于這點(diǎn)筆者建議最好還是Camera 固定不動(dòng)由待測(cè)體移動(dòng)位置去作成像檢測(cè), 主要的原因在于當(dāng)Camera 處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下, 其加減速的震動(dòng)可能會(huì)讓取出來的影像模糊失焦。

   （2）馬達(dá)運(yùn)動(dòng)與攝影機(jī)取像之頻率

    確定Line-scan Camera 跟燈源的架設(shè)位置可以取到均勻的影像后, 接下來即可開始結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制測(cè)試連續(xù)取像, 這個(gè)動(dòng)作最重要的部份在于而確定Line-scan 的Line Rate跟運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系, 過快或過慢的運(yùn)動(dòng)速度都會(huì)造成取出來的影像變形, 因此要確定最佳移動(dòng)速度才可以得到不變形的影像, 如何知道該下多少Command Pulse 是最佳移動(dòng)速度可透過以下的公式計(jì)算出來。

公式1－運(yùn)動(dòng)速度(Moving Speed) = 像素尺寸(Pixel Cell Size) / 線周期(Line Period)

    公式2 －最佳移動(dòng)速度(Command Pulse of Velocity) = 單位pulse移動(dòng)距離 x Moving Speed

    假設(shè)BASLER L101k-2K Camera 的分辨率2048pixels 且Line Rate 為 9.42KHz, 每個(gè)pixel cell 的尺寸為10um，Line Period = 1/9.42KHz ≒ 106.2us，則Moving Speed = 10um / 106.2us ≒9416.19um/s

    假設(shè)送出Command Pulse = 10,000實(shí)際移動(dòng)距離為10mm時(shí), 則代表1Pulse = 1um，那么最佳移動(dòng)速度 = 1um x 9416.19um/s ≒ 9,416pps
 

    （3）外部觸發(fā)(External Trigger)同步取像

    當(dāng)然上述的運(yùn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)有小數(shù)點(diǎn)上的差距爭(zhēng)議, 因此就實(shí)際Line-scan 取像上還需搭配正確的位置比對(duì)作外部觸發(fā)取像, 才可以達(dá)到等比例的影像, 外部觸發(fā)的訊號(hào)目前主要有分為 TTL 及LVDS, 而外部觸發(fā)的訊號(hào)多是來自Encoder 的到位訊號(hào), 因此針對(duì)補(bǔ)償些微差距的問題, 部份影像卡廠商會(huì)提供取像轉(zhuǎn)換比例 (Rate Conversion Ratio) 功能, 提供使用者去設(shè)定Line Pitch 跟 Encoder Pitch 之間的比例對(duì)應(yīng)進(jìn)而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

    一般影像卡的觸發(fā)取像模式包括硬件觸發(fā)(Hardware Trigger), 軟件觸發(fā)(Software Trigger)及聯(lián)合觸發(fā)(Combine Trigger)三種模式, 硬件觸發(fā)主要是將 Encoder 的實(shí)際到位訊號(hào)以TTL或LVDS的形式將訊號(hào)接至影像卡的觸發(fā)接點(diǎn)去觸發(fā)Camera 取像(注意: 部份影像卡接收觸發(fā)的接點(diǎn)本身并沒有作絕緣保護(hù), 因此需要先將Encoder 到位訊號(hào)接到光耦合器(Photo Couple) 再從光耦合器接至影像卡的觸發(fā)接點(diǎn), 否則很容易把影像卡給燒壞掉), 而軟件觸發(fā)則是利用程序計(jì)算或條件式去觸發(fā)取像, 聯(lián)合觸發(fā)則是結(jié)合硬件觸發(fā)及軟件觸發(fā)的模式然后依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的執(zhí)行需求去取決觸發(fā)取像的時(shí)間點(diǎn), 但是以Line-scan取像的特性而言筆者還是比較建議使用硬件觸發(fā)較為準(zhǔn)確。

    Line-scan 影像卡的取像模式分為WEB及PAGE兩種, 通常Line-scan 取像可以確定水平的FOV, 假若已知待測(cè)體面積的情況下(大概可以計(jì)算掃描完一個(gè)大概是多少條Lines時(shí)) 便可使用PAGE模式取像, 但是假若無法預(yù)知待測(cè)體的尺寸面積情況下(例如:紡織品, 紙張, 膠卷/底片)則需使用WEB模式取像。

    觸發(fā)取像是可以決定究竟是要使用連續(xù)觸發(fā)取像(Trigger per Line),或者是要片段觸發(fā)取像(Trigger per Page), 例如:每500條Lines送出一次Trigger, 每次Trigger連續(xù)抓500條Lines的數(shù)據(jù), 然后先組成片段影像進(jìn)行影像處理。

    1) 連續(xù)觸發(fā)取像

    這種觸發(fā)取像需求只能使用硬件觸發(fā)的方式, 一定要把Encoder實(shí)際的到位訊號(hào)接至影像卡的觸發(fā)接點(diǎn)才行, 另外連續(xù)觸發(fā)取像還有一些限制, 例如: 當(dāng)馬達(dá)Encoder的分辨率不夠, 或者運(yùn)動(dòng)控制卡送出Trigger頻率不夠快,或者影像卡本身接收觸發(fā)的頻率不夠快時(shí), 那么即使Camera 規(guī)格可以作超高頻率取像(部份高速Camera取像頻率每秒超過7萬條Lines), 但是系統(tǒng)運(yùn)行起來仍會(huì)因?yàn)槠渲心稠?xiàng)規(guī)格無法滿足而被迫降低取像頻率, 因此假若系統(tǒng)一定要用連續(xù)觸發(fā)取像時(shí), 則在高速取像的規(guī)格搭配上還是必需注意這點(diǎn)。

    2) 片段觸發(fā)取像

    這種觸發(fā)取像需求對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度及取像頻率之間的要求度非常高, 取像的速度一定要一致才行(注意:千萬別在運(yùn)動(dòng)加速段或減速段送出Trigger, 這會(huì)造成取到的影像變形)。

    透過上述的整合測(cè)試可以讓Line-scan系統(tǒng)作正常的取像運(yùn)行, 但是就實(shí)務(wù)上的系統(tǒng)檢測(cè)而言系統(tǒng)的校調(diào)(Calibration)還是絕對(duì)必需的。而系統(tǒng)的校調(diào)是可以透過一些輔助工具去達(dá)成, 但是要重現(xiàn)最佳的檢測(cè)精度還是必需靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的重復(fù)驗(yàn)證去決定最佳的校調(diào)順序與方法。

四、結(jié)語

    目前許多高科技產(chǎn)業(yè)的生命周期, 不外乎從先期開發(fā)制造到量產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)移而后最終到薄利代工的成本導(dǎo)向, 而不論哪個(gè)周期對(duì)于檢測(cè)設(shè)備的需求總是會(huì)不斷的出現(xiàn), 而且值得欣慰的是雖然目前并沒有革命性的高科技產(chǎn)業(yè)是由國(guó)內(nèi)業(yè)者自行作先期開發(fā)制造, 但是至少那些技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家在作量產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)移的規(guī)劃時(shí)第一個(gè)會(huì)想到可以承接的就是臺(tái)灣, 因此國(guó)內(nèi)的檢測(cè)設(shè)備業(yè)者在這部份便有一些得天獨(dú)厚的環(huán)境, 可以率先取得這些臺(tái)灣承接量產(chǎn)技術(shù)廠商的生產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備需求, 但是有商機(jī)跟需求存在的同時(shí), 提升檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)與規(guī)格與產(chǎn)業(yè)能夠接軌也是設(shè)備業(yè)者不可怠懈的課題。此篇文章對(duì)于已開發(fā)線掃描的系統(tǒng)業(yè)者而言或許仍有許多不夠深入的地方, 但是希望對(duì)于有意想跨入線掃描系統(tǒng)但卻完全沒經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言能有所幫助。