相机光学（十二）——面阵相机与线阵相机

面阵相机：实现的是像素矩阵拍摄。相机拍摄图像中，表现图像细节不是由像素多少决定的，是由分辨率决定的。分辨率是由选择的镜头焦距决定的，同一种相机，选用不同焦距的镜头，分辨率就不同。 像素的多少不决定图像的分辨率（清晰度），那么大像素相机有何好处呢？答案只有一个：减少拍摄次数，提高测试速度

线阵相机：顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图像，但极长。几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度。在第二种情况下（需要极大的视野或极高的精度），就需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图。因此，用线阵型相机，必须用可以支持线阵型相机的采集卡。 

面阵相机：应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。

线阵相机：主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动 , 利用一台或多台相机对其逐行连续扫描 , 以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图象一行一行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图象进行处理。另外线阵相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率，它可以准确测量到微米。

3、优点对比：

面阵相机：可以获取二维图像信息，测量图像直观。

线阵相机：一维像元数可以做得很多，而总像元素较面阵相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目标的测量。而且线阵分辨率高，价格低廉，可满足大多数测量现场要求。

4、缺点对比：

面阵相机：像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制，因此其应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。由于生产技术的制约，单个面阵的面积很难达到一般工业测量现场的需求。

线阵相机：要用线阵获取二维图像，必须配以扫描运动，而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置，还必须配以光栅等器件以记录线阵每一扫描行的坐标。一般看来，这两方面的要求导致用线阵获取图像有以下不足：图像获取时间长，测量效率低；由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本；图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响测量精度。

另：线阵相机与面阵相机的选型

     首先了解一下线扫描系统，这个系统一般可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。　　

1、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　　

2、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。            


3、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）　　

3，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。　　

4，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。

 面阵相机和镜头选型

已知：被检测物体大小为A*B,要求能够分辨小于C，工作距为D 解答：

1. 计算短边对应的像素数 E = B/C，相机长边和短边的像素数都要大于E；

2. 像元尺寸 = 物体短边尺寸B / 所选相机的短边像素数；

3. 放大倍率 = 所选相机芯片短边尺寸 / 相机短边的视野范围； 

4. 可分辨的物体精度 = 像元尺寸 / 放大倍率 （判断是否小于C）； 

5. 物镜的焦距 = 工作距离 / (1+1 / 放大倍率) 单位：mm； 

6. 像面的分辨率要大于 1 / (2*0.1*放大倍率) 单位：lpmm ；  

    以上只针对镜头的主要参数进行计算选择，其他如畸变、景深环境等，可根据实际要求进行选择。 
*针对速度和曝光时间的影响，物体是否有拖影  
已知：确定每次检测的范围为80mm*60mm，200万像素 CCD 相机(1600*1200),相机或物体的运动速度为12m/min   = 200mm/s 。
 曝光时间计算：  1. 曝光时间 < 长边视野范围 / (长边像素值 * 产品运动速度)
2. 曝光时间 < 80 mm / (1600∗250 mm/s)； 3. 曝光时间 < 0.00025s  ； 

总结：故曝光时间要小于 0.00025s  ，图像才不会产生拖影