關鍵詞：PS-based架構 線掃描影像檢測系統

一(yi)、前言

        機械視(shi)覺應(ying)用在各種產(chan)業的生產(chan)制(zhi)造及品質檢測(ce)已是行之(zhi)有年, 利用機械視(shi)覺可以提升檢測(ce)精度或加速生產(chan)速度，因此逐漸變成許(xu)多(duo)生產(chan)檢測(ce)設備(bei)必備(bei)的一(yi)環。

       目前市面(mian)上(shang)的(de)(de)(de)影(ying)像(xiang)檢測(ce)系統(tong)大多采用面(mian)掃(sao)(sao)描(Area-scan)的(de)(de)(de)攝影(ying)機(ji)進行影(ying)像(xiang)的(de)(de)(de)采集及(ji)分析, 但是隨著產品尺(chi)寸的(de)(de)(de)加(jia)大(例如:PCB, LCD面(mian)板, 晶圓), 在(zai)提高產能(neng)及(ji)精度(du)的(de)(de)(de)要求(qiu)下, 面(mian)掃(sao)(sao)描攝影(ying)機(ji)的(de)(de)(de)分辨率及(ji)取(qu)像(xiang)速度(du)無法滿(man)足這(zhe)些要求(qiu)的(de)(de)(de)事實開始浮上(shang)枱面(mian)而系統(tong)業(ye)(ye)者也開始意識到線掃(sao)(sao)描(Line-scan)攝影(ying)機(ji)的(de)(de)(de)分辨率及(ji)取(qu)像(xiang)速度(du)才能(neng)滿(man)足這(zhe)些時勢所(suo)驅的(de)(de)(de)產業(ye)(ye)需求(qiu)。

       但(dan)是(shi)(shi)(shi)(shi)線(xian)掃(sao)(sao)描(miao)的(de)檢(jian)測(ce)系(xi)統必需利用運動速度才能取(qu)得(de)面積影像。這(zhe)跟(gen)面掃(sao)(sao)描(miao)的(de)影像檢(jian)測(ce)系(xi)統只要(yao)(yao)單純的(de)曝光即(ji)可取(qu)得(de)面積影像的(de)工作原理(li)是(shi)(shi)(shi)(shi)完(wan)全不同的(de)。 因此對于許多原本熟知面掃(sao)(sao)描(miao)影像檢(jian)測(ce)系(xi)統的(de)設計者而言， 要(yao)(yao)跨入(ru)線(xian)掃(sao)(sao)描(miao)影像檢(jian)測(ce)系(xi)統除了要(yao)(yao)了解線(xian)掃(sao)(sao)描(miao)系(xi)統的(de)工作原理(li)及(ji)如何(he)選(xuan)擇主要(yao)(yao)組件外(wai)，最重要(yao)(yao)也是(shi)(shi)(shi)(shi)最基本的(de)是(shi)(shi)(shi)(shi)如何(he)得(de)到正確(que)且等比例的(de)線(xian)掃(sao)(sao)描(miao)影像。

二、線(xian)掃描(miao)影像檢(jian)測系(xi)統架構及主要組件

       目前線掃描系統(tong)架(jia)構除了控制(zhi)的主(zhu)機系統(tong)及機構外, 主(zhu)要組件分為(wei)視覺及運動控制(zhi)兩(liang)大主(zhu)軸。

       ;視覺(jue)主要組件包括:線(xian)性掃描(Line-scan)攝(she)影機, 鏡頭(Lens),燈源(Lighting), 影像采集卡(Frame Grabber)。

       運動(dong)控制(zhi)的部(bu)份則可能(neng)包括:馬達, 馬達驅(qu)動(dong)器(qi), 運動(dong)控制(zhi)卡或PLC, 有時會搭配(pei)傳(chuan)感器(qi)(Sensor)或位置比(bi)對器(qi)作(zuo)對象到位偵(zhen)測輔助。

       就控制(zhi)主(zhu)(zhu)機系統(tong)(tong)(tong)(tong)來說除了運動控制(zhi)外, 主(zhu)(zhu)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)工作內容在于影(ying)像數據(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)采集及(ji)運算(suan)(suan), 而(er)這部份(fen)已經(jing)占據(ju)系統(tong)(tong)(tong)(tong)絕大(da)部份(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)資源及(ji)運算(suan)(suan)能力(li), 就目前市面上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)線(xian)(xian)(xian)(xian)掃(sao)(sao)描(miao)影(ying)像檢(jian)測系統(tong)(tong)(tong)(tong)而(er)言, 許多大(da)型線(xian)(xian)(xian)(xian)掃(sao)(sao)描(miao)系統(tong)(tong)(tong)(tong)甚(shen)至是一臺(tai)系統(tong)(tong)(tong)(tong)機去(qu)專門處理一臺(tai)高解析(xi)線(xian)(xian)(xian)(xian)掃(sao)(sao)描(miao)攝(she)影(ying)機采集的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數據(ju)量, 以(yi)(yi)滿足客戶對(dui)整(zheng)個(ge)系統(tong)(tong)(tong)(tong)檢(jian)測運算(suan)(suan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)時間及(ji)精度需(xu)求。當然這只是其中一種(zhong)應用(yong)架構上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規劃方式, 在線(xian)(xian)(xian)(xian)掃(sao)(sao)描(miao)可以(yi)(yi)應用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)測范圍日益廣(guang)泛(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)下, 各種(zhong)應用(yong)對(dui)于系統(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規劃以(yi)(yi)及(ji)主(zhu)(zhu)要組(zu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)挑(tiao)選都會有所(suo)差異, 因此筆者針(zhen)對(dui)目前市面上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)線(xian)(xian)(xian)(xian)掃(sao)(sao)描(miao)主(zhu)(zhu)要組(zu)件(jian)以(yi)(yi)及(ji)如何(he)取到正確(que)且等(deng)比例的(de)(de)(de)(de)(de)(de)線(xian)(xian)(xian)(xian)掃(sao)(sao)描(miao)影(ying)像概略的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作了些(xie)整(zheng)理, 提供有興趣(qu)或剛(gang)開始接(jie)觸線(xian)(xian)(xian)(xian)性(xing)掃(sao)(sao)描(miao)系統(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)者作為參(can)考。

    1、線掃描攝(she)影機(Line-scan Camera)

       目前市面上的(de)(de)(de) Line-scan Camera 分辨率從 512, 1024,2048, 4096, 8192,至12288像素(pixels)都有(you)(you),通常剛(gang)開始接觸線掃(sao)描(miao)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)使用者(zhe)在挑選 Line-scan Camera 時, 大多只注意到(dao)分辨率是否能(neng)夠符合系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)目標精度需求(qiu), 而忽略了Line-scan Camera 本身的(de)(de)(de)接口規格(ge)會影響影像采集卡的(de)(de)(de)選擇(ze)性, 另外Camera的(de)(de)(de)設計特性究竟(jing)適(shi)不(bu)適(shi)合系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)需求(qiu), Line-scan Camera 的(de)(de)(de)掃(sao)描(miao)頻(pin)率(Line-Rate)的(de)(de)(de)計算方式以(yi)及為什(shen)么(me)有(you)(you)些Line-scan Camera掃(sao)描(miao)的(de)(de)(de)速(su)度可以(yi)提升四倍(bei)甚至是八倍(bei)? 以(yi)下是筆者(zhe)略作整理(li)的(de)(de)(de)資料

    （1）數據接口(kou)

    目(mu)前數字(zi)工業攝(she)影(ying)機(ji)及(ji)影(ying)像(xiang)采集卡的數據(ju)接口(kou)標準包括: RS-422, RS-644或稱LVDS (Low Voltage Differential Signaling), Channel Link 及(ji)Camera Link 這幾(ji)種(zhong)。

    ① RS-422 及RS-644(LVDS)的接(jie)(jie)(jie)口出現的較早(zao), 由于數據格式(shi)的特(te)性(xing)訊(xun)(xun)號(hao)(hao)的接(jie)(jie)(jie)口接(jie)(jie)(jie)頭通常是68pin 或(huo)(huo) 100pin 的高密(mi)度接(jie)(jie)(jie)頭, 但因(yin)(yin)為攝影(ying)機廠(chang)商(shang)(shang)定義的訊(xun)(xun)號(hao)(hao)接(jie)(jie)(jie)腳(jiao)不(bu)盡相同(tong)而影(ying)像卡(ka)廠(chang)商(shang)(shang)各家(jia)的定義也不(bu)太(tai)一樣, 因(yin)(yin)此在選擇(ze)好 Camera 及影(ying)像卡(ka)之后一般也不(bu)太(tai)會(hui)想(xiang)要輕易(yi)去變更(想(xiang)想(xiang)看要去接(jie)(jie)(jie)68pin 或(huo)(huo) 100pin 的訊(xun)(xun)號(hao)(hao)線(xian), 換個可能就代(dai)表訊(xun)(xun)號(hao)(hao)線(xian)要重作或(huo)(huo)要再作個訊(xun)(xun)號(hao)(hao)轉(zhuan)接(jie)(jie)(jie)板(ban)才行)。

    ② Channel Link 的(de)接口原本是用(yong)來作數(shu)字平面顯(xian)示器數(shu)據傳(chuan)輸的(de)標準(zhun)(本身(shen)訊號(hao)格(ge)式也是LVDS), 特性在于(yu)接口接腳減少了但是仍然可以傳(chuan)輸大量的(de)數(shu)字數(shu)據, 而它其實也就是Camera Link 標準(zhun)的(de)前身(shen)，因此數(shu)據格(ge)式也就與Camera Link 兼(jian)容, 差異在于(yu)由于(yu)當時并未定義出(chu)標準(zhun)接頭形式, 因此各(ge)家廠商仍采用(yong)不同型式的(de)接頭接口, 訊號(hao)線仍然必需定制。

    ③ Camera Link 的(de)標(biao)準是(shi)由數(shu)家工業攝影機及(ji)影像卡大廠共(gong)同制定(ding)出(chu)(chu)來的(de), 標(biao)準的(de)本(ben)(ben)身是(shi)基于(yu)Channel Link 的(de)特(te)性, 并定(ding)義(yi)出(chu)(chu)標(biao)準的(de)接(jie)頭也就是(shi)訊號(hao)(hao)線也標(biao)準化(hua)了, 讓Camera及(ji)影像卡的(de)訊號(hao)(hao)傳輸，同時定(ding)義(yi)出(chu)(chu)基本(ben)(ben)架構(gou)(Base Configuration), 中階架構(gou)(Medium Configuration), 及(ji)完整架構(gou)(Full Configuration) 的(de)訊號(hao)(hao)接(jie)腳規(gui)范以及(ji)傳輸數(shu)據量。

   （2）Line-scan Camera 的數據輸出形式

    目前的(de)(de)Line-scan Camera 撇開(kai)分辨率不談, 通常Line-scan Camera 本身(shen)的(de)(de)數據產生頻(pin)率都不會大(da)于(yu)60MHz, 也許(xu)你會懷疑那么為什么有的(de)(de)機種可以到(dao)80MHz,160MHz甚至(zhi)是320MHz呢? 其主(zhu)要的(de)(de)原理(li)是利用多(duo)重輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)的(de)(de)方式去加速取(qu)像速度,目前市(shi)面上一般(ban)的(de)(de) Line-scan Camera 輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)方式有單輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(Single Tap), 雙輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(Dual Taps), 三(san)輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(Triple Taps), 四輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(Quad Taps)及八輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(Octal Taps) 這幾種。

    ① 單輸出 (Single Tap)

    通(tong)常是在(zai)低(di)解(jie)析或低(di)速的(de)(de) Line-scan Camera 上的(de)(de)設計, 它的(de)(de)特(te)性是整(zheng)個(ge)線性CCD的(de)(de)每個(ge)光(guang)電二極管在(zai)感光(guang)后即將光(guang)轉(zhuan)成電荷訊號通(tong)過單一輸出將數(shu)據傳遞出去。

Line Rate = Camera Data Clock / Camera Pixels 

    ② 雙輸出(chu) (Dual Taps)-奇(qi)偶(ou)輸出(chu)

        通常是在高解析或為了提高Line-scan Camera 傳輸(shu)速度的設計, 它的特(te)性是整個線性CCD的每個光電二極管(guan)在感光后分(fen)成(cheng)奇(qi)數(shu)(shu)及偶數(shu)(shu)將(jiang)(jiang)光轉成(cheng)電荷(he)訊號(hao)分(fen)成(cheng)兩組將(jiang)(jiang)數(shu)(shu)據傳遞出去。

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

要是不小心設定(ding)成(cheng)單輸出時的影像(xiang), 就會如同右下(xia)圖所示影像(xiang)會有(you)垂直(zhi)的空隙, 影像(xiang)在放大時便會發現(xian) pixel 跟 pixel 中間的黑色影像(xiang)，其實數據都是空的。

    ③ 雙輸(shu)出 (Dual Taps)-前后段(duan)輸(shu)出

    設計目的(de)與上(shang)面的(de)雙輸出(chu)是(shi)大致相同的(de), 主要差異(yi)在于它是(shi)將(jiang)整(zheng)個(ge)線性CCD的(de)每個(ge)光電二極管在感(gan)光后(hou)分成前半(ban)段(duan)及后(hou)半(ban)段(duan)，將(jiang)光轉成電荷訊號(hao)分成兩(liang)組將(jiang)數據傳(chuan)遞出(chu)去。

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

要是(shi)(shi)不小心(xin)設定成單輸出時的影(ying)像, 就會如(ru)同右下圖所示影(ying)像只有一半(ban), 另一半(ban)變成黑色資料都是(shi)(shi)空的 

    ④ 三輸出(chu) (Triple Taps)

    通(tong)常是用在(zai)R, G, B 三CCD 的(de) Line-scan Camera, 棱鏡會依據光(guang)譜的(de)波(bo)長特性(紅光(guang)波(bo)長最長, 再來是綠光(guang), 再來是藍光(guang))而分別(bie)將光(guang)線投射至紅, 綠, 藍三組CCD, 而每個(ge)CCD 也將會各(ge)別(bie)將光(guang)轉成(cheng)電荷訊號作輸出(chu)。

    雖然(ran)3 CCD各別(bie)有獨立(li)的(de) Data Clock, 但是(shi)因為(wei)必(bi)需要(yao)R, G, B 的(de)數據組合在(zai)一(yi)起(qi)才會變成線性(xing)的(de)彩色影像(xiang), 所以實際速度并沒有因為(wei)每個CCD 有獨立(li)的(de) Data Clock而加快(kuai)。

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

    ⑤ 四輸出 (Quad Taps)

    通常是在(zai)高解析或為(wei)了(le)提高Line-scan Camera 傳(chuan)輸速(su)度的設計, 結合了(le)雙輸出的奇偶輸出加上前后段輸出的特性分成四(si)組, 讓取像速(su)度加快變成四(si)倍。

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

⑥ 八輸出 (Octal Taps)

    目前這類的設計是出(chu)(chu)(chu)現在超高分(fen)辨率(例如:12288pixel)的機(ji)種上(shang), 除了分(fen)出(chu)(chu)(chu)前后段，而(er)且各(ge)分(fen)出(chu)(chu)(chu)四組輸(shu)出(chu)(chu)(chu), 因此取像速度可(ke)以提高成八倍(bei)而(er)不會因為分(fen)辨率很(hen)高而(er)讓線周(zhou)期(qi)(Line Period) 拖太(tai)長(chang)。

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

    另外市面(mian)上(shang)還有一種 TDI (Timing Delay Integration) 型式的Line-scan Camera, 大致工作原理如(ru)下:

    TDI Line-scan Camera

    它的(de)(de)(de)(de)CCD 結構上較為特殊, 并非是(shi)單排(pai)的(de)(de)(de)(de)光(guang)電(dian)二極管(guan)而是(shi)96排(pai)的(de)(de)(de)(de)光(guang)電(dian)二極管(guan)下去(qu)一(yi)(yi)起感光(guang)作(zuo)用, 也(ye)就是(shi)同樣的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)次曝光(guang)時間下, 它會累積 96排(pai)光(guang)電(dian)二極管(guan)的(de)(de)(de)(de)光(guang)量(liang)去(qu)轉換成電(dian)荷(he)訊號(hao)之(zhi)后再傳輸出去(qu), 由(you)于累積的(de)(de)(de)(de)亮(liang)度較一(yi)(yi)般Line-scan camera 來得高(gao), 故較適合應用在光(guang)線較暗無法提供(gong)充(chong)足亮(liang)度的(de)(de)(de)(de)系統(tong)上。

    但是這種TDI 的(de)(de)型式十分(fen)注重取像(xiang)頻率及運動(dong)速度(du)的(de)(de)一致性(xing), 要是運動(dong)速度(du)不穩的(de)(de)狀況下取像(xiang)出來會有模糊的(de)(de)情(qing)形。

    （3）Line-scan Camera 的同步及曝光模式

    目(mu)前Line-scan Camera 具備了下列(lie)內同(tong)步(bu)及外同(tong)步(bu)的取像(xiang)模式。

Free Run Mode－通常(chang)又稱內同步(bu)(Synchronization Mode)模(mo)式,攝影機廠(chang)商在(zai)出廠(chang)時都會(hui)設定為此(ci)模(mo)式因此(ci)又有(you)人稱之為Factory Mode, 這種同步(bu)模(mo)式是依照Camera 本身(shen)內部產生的時序去作(zuo)曝(pu)(pu)光(guang)取(qu)像(xiang)(xiang), 因此(ci)這種同步(bu)模(mo)式運(yun)作(zuo)下影像(xiang)(xiang)卡(ka)無法主(zhu)導(dao)Camera取(qu)像(xiang)(xiang)的時間點, 因此(ci)影像(xiang)(xiang)卡(ka)是處于(yu)被動(dong)接(jie)收數據(ju)的角(jiao)色(se)。 而內同步(bu)模(mo)式取(qu)像(xiang)(xiang)的曝(pu)(pu)光(guang)模(mo)式又可以(yi)分為 Edge-controlled Mode 及 Programmable Mode。

    a. Free Run, Edge-controlled Mode

曝(pu)光(guang)時間(jian)與線(xian)周(zhou)期時間(jian)相等, 由一(yi)組內(nei)部控制(zhi)訊號產生一(yi)個上升方波(bo)作為開(kai)始(shi)曝(pu)光(guang)取像(xiang)訊號, 直(zhi)到(dao)下一(yi)條(tiao)線(xian)周(zhou)期的上升方波(bo)訊號進(jin)來時便(bian)將(jiang)影像(xiang)送出。

b. Free Run, Programmable Mode

在內部控制訊號產(chan)生(sheng)一個(ge)方波, 當方波下(xia)降時(shi)即開始作曝(pu)光取像, 此為縮短曝(pu)光時(shi)間的(de)模式(一般可以透過Camera 設定工具(ju)達(da)成), 但(dan)是線周(zhou)期時(shi)間還(huan)是維持不變。 

    ExSync. Mode－即(ji)是(shi)所謂的(de)外同(tong)步(bu)(External Synchronization Mode)模式(shi), Camera 本身(shen)并不會主(zhu)動產(chan)生時序(xu)去作(zuo)(zuo)曝(pu)光取(qu)像(xiang), 而是(shi)通過影像(xiang)卡(ka)傳送Reset訊號去通知Camera作(zuo)(zuo)曝(pu)光取(qu)像(xiang), 外同(tong)步(bu)模式(shi)取(qu)像(xiang)的(de)曝(pu)光模式(shi)又可分為Edge-controlled Mode, Level-controlled Mode及Programmable Mode。

    a. ExSync., Edge-controlled Mode

由(you)外部送來的(de)訊號(hao)作為(wei)同步觸發訊號(hao), 主要(yao)是(shi)取上(shang)升方波作為(wei)開(kai)始(shi)曝光取像訊號(hao), 由(you)外同步訊號(hao)的(de)周(zhou)期時間決定曝光取像時間及線周(zhou)期。 

 b. ExSync., Level-controlled Mode

由外(wai)部送(song)來的訊(xun)號(hao)作為同(tong)步(bu)觸發訊(xun)號(hao), 主(zhu)要是取(qu)方(fang)波下降時作為開始曝光取(qu)像, 但整個線周(zhou)期(qi)時間還(huan)是由外(wai)同(tong)步(bu)訊(xun)號(hao)周(zhou)期(qi)時間決定(ding)。 

c. ExSync., Programmable Mode

由外(wai)部送(song)來的訊號(hao)作(zuo)為同步觸發(fa)訊號(hao), 但此上升方(fang)波(bo)僅作(zuo)為開始曝(pu)光的決(jue)定(ding)訊號(hao), 曝(pu)光時間(jian)長短可由使用者設定(ding), 同時此設定(ding)的曝(pu)光時間(jian)也(ye)決(jue)定(ding)線(xian)周期(qi)時間(jian)。

    （4）Line-scan Camera 的掃描頻率計算方(fang)式

    Line-scan Camera 的(de)(de)掃描頻(pin)率(lv)的(de)(de)計算(suan)方式如下(xia), 主要是Camera 的(de)(de)數據產生頻(pin)率(lv)(Data Clock)及分辨率(lv)的(de)(de)對應關(guan)系。

    掃描頻(pin)率(lv)(Line Rate) = Camera數據產生頻(pin)率(lv) / Camera 分辨(bian)率(lv)Ex. Line Rate = 40MHz / 8192 pixels ≒ 4.8KHz (有時廠(chang)商訂(ding)的(de)規格(ge)數據會比計算量低(di), 但還是需以廠(chang)商訂(ding)定為準(zhun))。

也就是(shi)說這臺Camera 最(zui)高速(su)度可(ke)以每秒(miao)取(qu)得(de)大約(yue)4800條 8192 pixels 的線性影像數據，線周期(Line Period) = 1/ Line Rate, 也就是(shi)上(shang)述規格的攝影機(ji)每掃描一條線至(zhi)少需要花費208us左右。

    （5）如何計算線性掃描(Line-scan)攝影機的可(ke)視范圍(FOV, Field of View)

 ; ;  可視(shi)范圍(FOV) = Pixel cell size x 多少個 pixels x 工作距(ju)離(li) / 鏡頭焦距(ju)(Focal Length)。

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

    Line-scan Camera 由于CCD sensor 的(de)(de)(de)制(zhi)程不一(yi)樣或分辨率(lv)不一(yi)樣, 因(yin)此每顆CCD上(shang)的(de)(de)(de)光電二極管(guan)(Photodiode) 也(ye)就是所(suo)謂的(de)(de)(de)每個pixel 的(de)(de)(de)尺寸(cun)大小不一(yi)定相(xiang)同, 也(ye)就是說就算是同樣選擇 2048 pixels的(de)(de)(de)Line-scan Camera, 假若 A公(gong)司(si)(si)用的(de)(de)(de) CCD Sensor 的(de)(de)(de) Pixel cell 的(de)(de)(de)尺寸(cun)為(wei) 10um, 但 B公(gong)司(si)(si)用的(de)(de)(de) CCD Sensor 的(de)(de)(de) pixel cell 為(wei) 7um, 那(nei)么就算是同樣的(de)(de)(de)工作距(ju)離及同樣的(de)(de)(de) Focal Length 條件下(xia), 兩家公(gong)司(si)(si)的(de)(de)(de)Camera FOV仍然(ran)是不相(xiang)等(deng)。

    2、影像(xiang)采集(ji)卡的選擇(ze)

    Line-scan Camera 由(you)于取(qu)(qu)像(xiang)(xiang)(xiang)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)量大(da)因此(ci)多(duo)為數(shu)(shu)(shu)字式(shi), 目(mu)前影(ying)(ying)(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)采(cai)集卡(ka)(ka)(ka)主要就是(shi)(shi)(shi)以(yi)DSP架(jia)構(gou)(gou)跟非DSP架(jia)構(gou)(gou)兩大(da)主流。 DSP架(jia)構(gou)(gou)的(de)影(ying)(ying)(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)采(cai)集卡(ka)(ka)(ka)一(yi)般(ban)價格較(jiao)高,但(dan)是(shi)(shi)(shi)通(tong)常它(ta)在取(qu)(qu)得影(ying)(ying)(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)之后即可(ke)通(tong)過(guo)DSP先行將影(ying)(ying)(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)作(zuo)前處(chu)(chu)理(li)(例如(ru):白平衡, 轉換對照表(biao)(LUT, Look-up Table), 濾鏡(Filter)處(chu)(chu)理(li), 遮光校正(zheng)(Shading Correction), 甚至是(shi)(shi)(shi)掃描延遲補償(chang)(Scan-delay compensation), 功能(neng)(neng)依據(ju)(ju)不(bu)同影(ying)(ying)(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)卡(ka)(ka)(ka)廠商設計提供而有所(suo)差(cha)異) 因此(ci)較(jiao)為節省系(xi)統的(de)后段計算處(chu)(chu)理(li)時間。 至于非DSP架(jia)構(gou)(gou)的(de)影(ying)(ying)(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)卡(ka)(ka)(ka)主要以(yi)快速取(qu)(qu)像(xiang)(xiang)(xiang)為主，大(da)多(duo)具備DMA (Direct Memory Access) 功能(neng)(neng)以(yi)取(qu)(qu)得較(jiao)大(da)的(de)內存避免數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)遺失(shi)(當然DSP卡(ka)(ka)(ka)大(da)部份也會具備這個功能(neng)(neng), 但(dan)是(shi)(shi)(shi)DSP卡(ka)(ka)(ka)去執行DMA的(de)動作(zuo)時影(ying)(ying)(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)大(da)多(duo)已經過(guo)前處(chu)(chu)理(li)而非原始數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)), 之后再(zai)以(yi)編程方式(shi)由(you)CPU去計算處(chu)(chu)理(li), 雖然DSP架(jia)構(gou)(gou)可(ke)以(yi)作(zuo)影(ying)(ying)(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)前處(chu)(chu)理(li)節省系(xi)統時間, 但(dan)由(you)于影(ying)(ying)(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)卡(ka)(ka)(ka)廠商大(da)多(duo)不(bu)開(kai)放(fang)給(gei)使(shi)用(yong)者(zhe)自行更(geng)改, 故(gu)在價格及功能(neng)(neng)彈(dan)性上的(de)考(kao)慮而言國內市場(chang)使(shi)用(yong)者(zhe)還是(shi)(shi)(shi)以(yi)非DSP架(jia)構(gou)(gou)居多(duo)。

    此外, 在選擇(ze)影(ying)(ying)像(xiang)卡(ka)時系(xi)統取(qu)像(xiang)的最(zui)大可(ke)能(neng)數據(ju)量及數據(ju)接口(kou)也是(shi)(shi)(shi)考慮因(yin)素的一部份, 以資(zi)料(liao)量來說目前市(shi)面上(shang)的影(ying)(ying)像(xiang)采集(ji)卡(ka)多(duo)為32-bit, 33MHz 或 64-bit,66MHz 的PCI bus 接口(kou), 在選擇(ze)影(ying)(ying)像(xiang)卡(ka)時必(bi)(bi)需要(yao)先計算(suan)取(qu)像(xiang)時的最(zui)大可(ke)能(neng)數據(ju)量, 同(tong)時必(bi)(bi)需考慮同(tong)一系(xi)統上(shang)其它控(kong)制(zhi)卡(ka)的數據(ju)量會占多(duo)少頻(pin)(pin)寬, 最(zui)常被忽略的就(jiu)是(shi)(shi)(shi)網絡傳輸端口(kou)本(ben)身(shen)也是(shi)(shi)(shi)占用PCI頻(pin)(pin)寬的一份子, 因(yin)此最(zui)好(hao)保持PCI Bus 頻(pin)(pin)寬的充裕性, 再(zai)不(bu)然就(jiu)是(shi)(shi)(shi)選擇(ze)影(ying)(ying)像(xiang)采集(ji)卡(ka)本(ben)身(shen)有內建內存的規格以確保不(bu)會因(yin)為頻(pin)(pin)寬不(bu)夠而導致(zhi)數據(ju)遺(yi)失的狀況。

    前面有提(ti)到Line-scan Camera 數據接口(kou)目前有分RS-422, RS-644(LVDS), Channel Link 及Camera Link 的格(ge)式(shi)(shi), 基本(ben)上(shang)RS-422及RS-644(LVDS) 的數據格(ge)式(shi)(shi)完全(quan)不一樣故影(ying)像(xiang)采集卡也(ye)各(ge)自獨立 ; 但是(shi)Channel Link 及Camera Link 的數據格(ge)式(shi)(shi)則完全(quan)兼容, 故一般選用Camera Link 規(gui)格(ge)接口(kou)的影(ying)像(xiang)采集卡即(ji)可。 如前面提(ti)到的 Camera Link 有區分: 基本(ben)架構(gou)(Base Configuration), 中階架構(gou)(Medium Configuration), 及完整架構(gou)(Full Configuration), 每個架構(gou)除了傳(chuan)輸資料量不同外, 對于可以支持的 Camera Link 攝影(ying)機(ji)輸出模式(shi)(shi)也(ye)有定義如下:

    因(yin)此在選(xuan)擇Camera Link 影(ying)(ying)像卡時需考(kao)慮(lv)其架構規(gui)格是否能支(zhi)持前端的攝影(ying)(ying)機輸出模式。

    3、光源的選擇

    在(zai)選(xuan)擇輔助光源(yuan)時,切勿(wu)將區域(yu)掃(sao)描(miao)(Area-scan)用的交流(liu)電(dian)(AC Power)光源(yuan)在(zai)線(xian)(xian)性(xing)掃(sao)描(miao)(Line-scan)上,線(xian)(xian)性(xing)掃(sao)描(miao)應(ying)該選(xuan)用交流(liu)電(dian)(DC Power)光源(yuan)作為輔助, 以下是簡單(dan)的介紹(shao)有關攝影機曝(pu)光成像(xiang)時間與光源(yuan)頻率之間的互動關系。

① 下圖所示為(wei)一般區域掃描 (Area-scan) 攝影機 (取像(xiang)速度(du)大(da)約(yue)在(zai)30fps) 在(zai)一般室(shi)內日(ri)光燈(deng)源 (交(jiao)流電(dian)源, 頻(pin)率(lv)為(wei)60Hz) 下的示波(bo)器取像(xiang)訊號。日(ri)光燈(deng)的閃(shan)爍頻(pin)率(lv)對這樣的攝影機的曝光時間而言, 并不(bu)會有(you)太大(da)影響, 使用(yong)者仍然可以(yi)取得亮度(du)均勻的影像(xiang)。 

    ② 下圖所示為將區域掃(sao)描攝影(ying)(ying)機的(de)(de)(de)快門調快, 這也就會造(zao)成曝(pu)光時間變短, 這時候(hou)攝影(ying)(ying)機明(ming)顯受到日(ri)光燈的(de)(de)(de)閃爍頻率所影(ying)(ying)響, 在光線(xian)閃爍的(de)(de)(de)亮暗之間取(qu)像出來的(de)(de)(de)影(ying)(ying)像也會出現(xian)忽明(ming)忽暗的(de)(de)(de)情形(xing)。 

    ③ 線(xian)性(xing)掃描(miao)的曝光時(shi)間(jian)通(tong)常都是在Micro-second 等級, 因(yin)此(ci)假若(ruo)是使用(yong)日光燈源(yuan)用(yong)在線(xian)性(xing)掃描(miao)攝影機上, 那么(me)呈現出來(lai)的影像就會如同下圖的影像一樣, 會出現周期性(xing)的亮暗不(bu)均(jun)影像。 

    除了交流(liu)電的光(guang)(guang)源閃爍頻率問題外, 另外光(guang)(guang)源的選擇及使用上(shang)還有下列幾點注意(yi)事項:

    ① 光(guang)源(yuan)的(de)(de)色(se)溫(wen)－只要是(shi)彩(cai)色(se)取像對(dui)色(se)純度有(you)絕對(dui)的(de)(de)要求時(shi), 那么不論是(shi)Area-scan 還是(shi)Line-scan 的(de)(de)攝影機在選擇燈源(yuan)上都(dou)應選用白(bai)光(guang), 偏(pian)黃(huang)或偏(pian)其它顏色(se)的(de)(de)光(guang)源(yuan)都(dou)會導(dao)致色(se)偏(pian)的(de)(de)問(wen)題。 另外(wai)表(biao)面(mian)易(yi)有(you)反射的(de)(de)待測物體應使用波長較(jiao)長的(de)(de)偏(pian)紅光(guang)源(yuan)或冷光(guang)燈源(yuan), 波長較(jiao)短的(de)(de)白(bai)光(guang)(例如:同(tong)軸落射光(guang)源(yuan)或金屬燈源(yuan))易(yi)讓反射問(wen)題更嚴重(zhong)。

    ② 光(guang)(guang)源的(de)(de)均(jun)勻度(du)－Line-scan Camera故名(ming)思義(yi)它的(de)(de)感(gan)光(guang)(guang)區域(yu)只有在(zai)那細(xi)細(xi)的(de)(de)一(yi)條CCD區域(yu)上, 因此較適合(he)使用線性(xing)燈(deng)(deng)源例如:高(gao)周波熒光(guang)(guang)燈(deng)(deng)管或(huo)加(jia)光(guang)(guang)纖導(dao)管的(de)(de)線性(xing)燈(deng)(deng)源(建(jian)(jian)議(yi)在(zai)線性(xing)導(dao)光(guang)(guang)管前面加(jia)上聚光(guang)(guang)鏡, 可以強化光(guang)(guang)的(de)(de)強度(du)避免光(guang)(guang)線散(san)開同時(shi)(shi)可以延長燈(deng)(deng)源的(de)(de)壽命), 至于Area-scan 常會(hui)使用的(de)(de)LED燈(deng)(deng)源通常會(hui)作一(yi)些外(wai)緣(yuan)形狀(zhuang)的(de)(de)排列(例如:環(huan)形或(huo)矩形), 同時(shi)(shi)當(dang)排列角度(du)及安裝位置或(huo)距離不一(yi)樣時(shi)(shi), LED所(suo)交錯出(chu)來的(de)(de)光(guang)(guang)源強度(du)及位置也會(hui)有所(suo)不同, 因此不建(jian)(jian)議(yi)使用在(zai)Line-scan Camera 取像輔助。

    ③ 燈(deng)源(yuan)的(de)生(sheng)(sheng)命(ming)周(zhou)(zhou)(zhou)期－一般的(de)燈(deng)泡(pao)或(huo)燈(deng)管都會(hui)有生(sheng)(sheng)命(ming)周(zhou)(zhou)(zhou)期從數千小時(shi)(shi)到(dao)上萬小時(shi)(shi)的(de)都有, 在使(shi)(shi)用上要注意何時(shi)(shi)應更換燈(deng)泡(pao)或(huo)燈(deng)管, 依(yi)據特性不(bu)一樣例如(ru):鹵素燈(deng)源(yuan)在生(sheng)(sheng)命(ming)周(zhou)(zhou)(zhou)期的(de)末期是亮(liang)度(du)漸漸變(bian)暗, 但是有些金屬(shu)燈(deng)源(yuan)例如(ru):金屬(shu)鹵素(Metal Halid)或(huo)氙氣(qi)(Xenon)燈(deng)泡(pao)到(dao)生(sheng)(sheng)命(ming)周(zhou)(zhou)(zhou)期末則可能(neng)是突然完全不(bu)亮(liang), 因(yin)此在選擇及使(shi)(shi)用上時(shi)(shi)都應注意燈(deng)源(yuan)的(de)生(sheng)(sheng)命(ming)周(zhou)(zhou)(zhou)期以避免影響系統的(de)取像(xiang)運作。

    ④ 光(guang)源的(de)架設(she)位置－線掃(sao)描的(de)光(guang)源架設(she)位置主要是(shi)以(yi)Line-scan Camera 的(de)CCD可(ke)(ke)以(yi)感(gan)光(guang)的(de)區域為(wei)主, 但是(shi)依據待測物(wu)體的(de)材(cai)質(zhi)(zhi)特性則架設(she)位置也會(hui)有(you)所(suo)不(bu)同, 例如(ru):透明的(de)玻璃或壓克力材(cai)質(zhi)(zhi)其(qi)光(guang)源可(ke)(ke)采用背光(guang)位置, 至于不(bu)透明材(cai)質(zhi)(zhi)則可(ke)(ke)以(yi)由上或側邊投(tou)射(she)光(guang)源, 但最(zui)好(hao)在設(she)計機構(gou)時注(zhu)意一下燈源的(de)投(tou)射(she)角度(du)及范圍是(shi)否提供CCD足夠(gou)且均勻的(de)光(guang)線。

    4、鏡頭(tou)的選擇

    一般在選擇鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)時(shi)可以(yi)看(kan)到(dao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)規(gui)格(ge)標示例(li)如: 55mm/f2.8, 前面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)55mm 即代(dai)表(biao)了焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)(Focal Length), 而后面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)f2.8則代(dai)表(biao)最大(da)(da)(da)光(guang)(guang)(guang)圈(Maximum Aperture, 數字越(yue)小入(ru)(ru)光(guang)(guang)(guang)量(liang)越(yue)大(da)(da)(da)), 焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)長(chang)就(jiu)代(dai)表(biao)景深越(yue)深(可以(yi)看(kan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)范圍也(ye)會加(jia)大(da)(da)(da))但(dan)同(tong)時(shi)入(ru)(ru)光(guang)(guang)(guang)量(liang)也(ye)會越(yue)小, 所(suo)以(yi)必需盡量(liang)選擇入(ru)(ru)光(guang)(guang)(guang)量(liang)較大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)規(gui)格(ge)為佳(jia)(jia)。 目前市面(mian)(mian)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)以(yi)C-Mount 及CS-Mount  接(jie)環(huan)(huan)規(gui)格(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)種類及規(gui)格(ge)型(xing)式最齊(qi)全, 因(yin)(yin)為大(da)(da)(da)多(duo)(duo)(duo)數從監(jian)控保全攝(she)(she)影(ying)(ying)(ying)機(ji)(ji)(ji)到(dao)工業級模擬攝(she)(she)影(ying)(ying)(ying)機(ji)(ji)(ji)大(da)(da)(da)多(duo)(duo)(duo)設計(ji)這兩種接(jie)環(huan)(huan)規(gui)格(ge) (C-Mount跟(gen)CS-Mount的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)差異在于背焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)離不一樣, 背焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)離是(shi)由CCD Sensor表(biao)面(mian)(mian)至鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)接(jie)環(huan)(huan)口平面(mian)(mian)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)距(ju)(ju)離,C-Mount的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)背焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)離是(shi)12.52mm, CS-Mount則是(shi)17.52mm), 但(dan)是(shi)就(jiu)Line-scan Camera 而言通(tong)常只要分辨率大(da)(da)(da)于2048pixels(含)以(yi)上(shang)(shang), 攝(she)(she)影(ying)(ying)(ying)機(ji)(ji)(ji)廠商便會將接(jie)環(huan)(huan)設計(ji)成F-Mount (背焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)離為12mm), 主(zhu)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)(yin)在于C-Mount跟(gen)CS-Mount 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)環(huan)(huan)內徑大(da)(da)(da)約只有26mm, 而接(jie)環(huan)(huan)內徑再扣(kou)掉鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)殼實際入(ru)(ru)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內徑范圍頂多(duo)(duo)(duo)20mm, 再加(jia)上(shang)(shang)光(guang)(guang)(guang)線進入(ru)(ru)到(dao)變焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)時(shi)CCD通(tong)常以(yi)中心地區的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)感(gan)光(guang)(guang)(guang)最好外(wai)緣(yuan)感(gan)光(guang)(guang)(guang)最差,有些2048pixels的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)攝(she)(she)影(ying)(ying)(ying)機(ji)(ji)(ji)雖然提供C-Mount接(jie)環(huan)(huan)讓使用(yong)(yong)(yong)者更容(rong)易選購(gou)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou), 但(dan)取像后外(wai)緣(yuan)影(ying)(ying)(ying)像亮度(du)(du)通(tong)常會比較暗造成影(ying)(ying)(ying)像亮度(du)(du)不均的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)形, 因(yin)(yin)此對于2048pixels以(yi)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Line-scan Camera 來說采用(yong)(yong)(yong)F-Mount (接(jie)環(huan)(huan)內徑約43mm) 鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)較佳(jia)(jia), 但(dan) F-mount 規(gui)格(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)多(duo)(duo)(duo)設計(ji)用(yong)(yong)(yong)于單眼攝(she)(she)影(ying)(ying)(ying)像機(ji)(ji)(ji)用(yong)(yong)(yong)途, 故規(gui)格(ge)不如C-Mount 及CS-Mount 鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)來得(de)多(duo)(duo)(duo)樣化同(tong)時(shi)價格(ge)上(shang)(shang)較高。

另外(wai)像超高(gao)分辨率例如(ru):8196pixels或12288pixels 的 Line-scan camera 通常除了特制接環的鏡(jing)頭規格外(wai), 部份廠商仍(reng)以提(ti)供F-Mount 規格但提(ti)供軟件的遮光校正(Shading Correction)功(gong)能(neng)去解(jie)決影(ying)像亮度外(wai)緣不均的問題。

    5、運動控制的(de)種類(lei)與(yu)特性

    （1）PLC vs. PC Based

    運動控制(zhi)(zhi)以PLC起源較早, 而PC-based 的(de)(de)(de)運動控制(zhi)(zhi)是近十(shi)年的(de)(de)(de)趨(qu)勢, 但是早期使用慣(guan)PLC的(de)(de)(de)系(xi)統設計(ji)者很難快(kuai)速的(de)(de)(de)由PLC轉移到 PC-based 上, 主(zhu)要(yao)的(de)(de)(de)原因是硬件的(de)(de)(de)控制(zhi)(zhi)架構及編程的(de)(de)(de)邏輯與接口(kou)幾乎是完全不同, 因此至今PLC仍維(wei)持一(yi)定的(de)(de)(de)使用族群(qun)及市占率。 但就實務(wu)面上而言(yan), 建立一(yi)套線(xian)性掃描的(de)(de)(de)影像系(xi)統它的(de)(de)(de)運動控制(zhi)(zhi)究(jiu)竟是PC-based 還是PLC較為(wei)合適, 以下(xia)訊息可以提供作(zuo)為(wei)參(can)考(kao)。

    1) PLC 架(jia)構(gou)本身是透串行訊(xun)號(hao)(RS-232或RS-485)下達運動速度位置等指令, 這種(zhong)架(jia)構(gou)在作(zuo)Area-scan 的(de)影像(xiang)系統搭配上(shang)問(wen)題(ti)不大, 但是一旦應(ying)用在Line-scan 的(de)影像(xiang)系統時, 由于(yu) Line-scan 對于(yu)每條 Line 的(de)觸(chu)發(fa)取(qu)像(xiang)位置要求十分高, 再加(jia)上(shang)Encoder上(shang)的(de)訊(xun)號(hao)都為(wei)相位訊(xun)號(hao)(AB phase)無法直(zhi)接(jie)用來作(zuo)觸(chu)發(fa)訊(xun)號(hao), 因此需要使用橋接(jie)接(jie)口的(de)轉(zhuan)換后再將訊(xun)號(hao)送給影像(xiang)處理(li)平臺, 常(chang)見有下列幾種(zhong)方式。

    ① 外加(jia)一臺計算機上(shang)面加(jia)一片位置比對卡接收Encoder的(de)訊號加(jia)以編(bian)譯。

    ② 在Encoder外(wai)面再加一組轉換模(mo)塊轉成TTL或LVDS訊號(hao)。

    ③ 外掛一(yi)臺位(wei)置比對(dui)器(qi)(價格貴, 少見) 或(huo)光(guang)學尺(chi)。

    ④ 或其它(ta)橋接模式(shi)。

    盡管有上(shang)述(shu)的(de)方式可以去作到位置比對, 但(dan)是畢竟(jing)是透過(guo)橋接而取得(de),因(yin)此遇(yu)到高(gao)速取像時訊(xun)號遺失的(de)機會便非(fei)常高(gao)。

    2) PC-based 架構(gou)是(shi)利(li)用(yong)運動(dong)控(kong)(kong)制卡送出指(zhi)令脈沖(Command Pulse)去下達(da)位(wei)置及速度, 并通過(guo)Encoder傳回馬達(da)的(de)(de)反饋脈沖(Feedback Pulse), 同(tong)時可(ke)以(yi)在(zai)行進(jin)過(guo)程中進(jin)行位(wei)置比對功能(neng)(部份運動(dong)控(kong)(kong)制卡并不具備這類功能(neng)), 并且在(zai)到位(wei)之后(hou)送出TTL或LVDS的(de)(de)到位(wei)訊(xun)(xun)號作為外(wai)同(tong)步偶觸(chu)(chu)發(fa)或連續觸(chu)(chu)發(fa)訊(xun)(xun)號去觸(chu)(chu)發(fa)Line-scan Camera 取像(xiang), 由于無需經(jing)過(guo)橋接(jie)接(jie)口的(de)(de)轉換因此可(ke)讓Line-scan的(de)(de)每條Line的(de)(de)觸(chu)(chu)發(fa)取像(xiang)同(tong)步且正確。

    6、皮帶/線性滑軌/滾珠螺(luo)桿

    另外(wai)在運動控制(zhi)機臺的選擇(ze)上, 目前常見(jian)的有皮帶, 線(xian)性(xing)滑軌(gui)及滾珠螺(luo)桿這幾種(zhong)基本形(xing)式(shi)(shi)或龍門式(shi)(shi)綜合使(shi)用。

    皮帶(dai)－不(bu)建議使用在Line-scan 的(de)取像主軸上, 因(yin)為通(tong)常皮帶(dai)Key的(de)間距對Line-scan 而(er)言(yan)不(bu)夠精細且容易有跳格的(de)情形。

    線(xian)性滑軌－在極速運動(dong)下(xia)或(huo)保養不好的(de)狀況(kuang)下(xia)容易有(you)失(shi)步的(de)情形。

    滾珠(zhu)螺(luo)桿－有單向(xiang)背(bei)隙(Backlash)的(de)問題(ti), 但由于(yu)(yu)每支滾珠(zhu)螺(luo)桿的(de)背(bei)隙通常(chang)是固(gu)定的(de)(大(da)部份制造廠商會附上背(bei)隙規(gui)格數據), 因此是屬于(yu)(yu)可計算補償且不致于(yu)(yu)影響(xiang)Line-scan 的(de)位置比對及觸發取像(xiang)。

   7、光學(xue)尺的主(zhu)要作(zuo)用

    一般(ban)而言是(shi)可以(yi)透過位置比對得到馬達目前的(de)運(yun)(yun)行(xing)位置, 但是(shi)任何一組運(yun)(yun)動控制機臺(tai), 在(zai)經(jing)過長時間的(de)運(yun)(yun)行(xing)及磨(mo)損下難免(mian)會產生(sheng)機構上的(de)變形誤差, 因此不論是(shi)Area-scan 或 Line-scan 的(de)系統平臺(tai), 通常只要是(shi)系統要求(qiu)絕對的(de)精度跟重現性時, 建議最好在(zai)上面加一個光學尺以(yi)增加精確度。

三、如何(he)得到等比例的線掃描影像

    在對線(xian)(xian)(xian)性(xing)掃描(miao)影(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)組件有(you)了概念之后, 接下(xia)來要介紹的(de)(de)是(shi)實務面上的(de)(de)部(bu)份。由于Line-scan Camera 每(mei)次感光成像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)都是(shi)只有(you)一條線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)FOV, 因(yin)此必需要透過運(yun)(yun)動速(su)度下(xia)的(de)(de)連(lian)續取(qu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)才(cai)會(hui)形成面積影(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang), 也就(jiu)(jiu)是(shi)說每(mei)套線(xian)(xian)(xian)性(xing)掃描(miao)影(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)系統它至少是(shi)含一軸(zhou)以(yi)上的(de)(de)運(yun)(yun)動控制才(cai)能取(qu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)運(yun)(yun)作(zuo)。 但是(shi)并(bing)不(bu)(bu)是(shi)有(you)連(lian)續的(de)(de)運(yun)(yun)動就(jiu)(jiu)可以(yi)取(qu)到正確(que)的(de)(de)影(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang), 通常運(yun)(yun)動速(su)度要是(shi)跟取(qu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)頻率不(bu)(bu)一致時則取(qu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)出(chu)來的(de)(de)結果(guo)不(bu)(bu)是(shi)變形再不(bu)(bu)然就(jiu)(jiu)是(shi)有(you)些線(xian)(xian)(xian)段數據根本沒掃描(miao)到而(er)造成數據遺失, 因(yin)此如何取(qu)得正確(que)而(er)且等比(bi)例的(de)(de)線(xian)(xian)(xian)性(xing)掃描(miao)影(ying)(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang), 筆者在此提供包(bao)括基礎測(ce)試(shi)及(ji)整合測(ce)試(shi)的(de)(de)參考要點(dian)。

1、基礎測試 

    （1）馬達運動控制(zhi)

    PC-based的(de)(de)系統大多(duo)通(tong)過運動(dong)控制(zhi)卡去跟馬(ma)達驅動(dong)器(qi)進行溝通(tong)進而讓馬(ma)達運轉至目(mu)標位置(zhi), 因此在(zai)運動(dong)控制(zhi)的(de)(de)基本動(dong)作上首要(yao)確認(ren)運動(dong)控制(zhi)卡所發出的(de)(de)指令(ling)脈(mo)沖(chong)(chong)(Command Pulse)必需要(yao)跟編碼器(qi)(Encoder)的(de)(de)回饋脈(mo)沖(chong)(chong)(Feedback Pulse)調(diao)整一致, 再(zai)來便是確認(ren)每送出一個 Command Pulse 時實際移動(dong)多(duo)少距(ju)離。

    實作測(ce)試(shi)：

    a.先確定Command Pulse = Feedback Pulse

    b.送出Command Pulse 之(zhi)后(hou)再量(liang)測實際(ji)的移(yi)動距離, 例如(ru):送出 Command Pulse =10,000 實際(ji)移(yi)動距離為(wei)10mm時, 則代表1Pulse = 1um, 有(you)了這個(ge)數(shu)據對(dui)于后(hou)面(mian)的Line-scan觸發(fa)位置就較為(wei)準確。

    （2）Line-scan Camera取像測試

    由于Line-scan Camera 并(bing)不像(xiang)(xiang) Area-scan Camera 有較大的(de)感光面積, 因此第一次使用(yong) Line-scan Camera 的(de)使用(yong)者都會(hui)對于幾乎看不到(dao)光影成像(xiang)(xiang)(特別(bie)是把鏡頭裝上去之后)而(er)感到(dao)困惑, 進而(er)懷疑到(dao)底是 Line-scan Camera 沒設定(ding)好還是壞掉了, 有時甚至懷疑是不是影像(xiang)(xiang)卡的(de)問題, 以(yi)下是幾個簡單的(de)檢查方法。

    a.將Line-scan Camera 接至影(ying)像采(cai)集卡, 利(li)用 Line-scan Camera 廠(chang)商提供的(de)設(she)定工(gong)具程(cheng)序 (一般都可(ke)以從(cong)廠(chang)商的(de)網站上下載), 先(xian)確(que)定Camera 設(she)為內同步模式之后再(zai)利(li)用影(ying)像采(cai)集卡的(de)取(qu)像工(gong)具程(cheng)序(必需要設(she)定選擇該款Camera 的(de)設(she)定檔案(an))先(xian)試取(qu)像, 取(qu)像時可(ke)以不用裝鏡頭而直(zhi)接將Line-scan Camera 的(de)CCD Sensor 直(zhi)接面對燈光,正常取(qu)到(dao)像時可(ke)以看到(dao)光線的(de)反應(ying)。

    b.另一種方式是(shi)利用(yong)Line-scan Camera 內建(jian)的(de)(de)測試影(ying)像(Test Image, 或有的(de)(de)稱之為Test pattern) 去測試, 首先必(bi)需要使(shi)用(yong)Camera的(de)(de)設(she)定工具程序將輸出模式改設(she)定為輸出Test Pattern, 則正常狀況下影(ying)像采集卡(ka)那端就會接收到(dao)Test Pattern 的(de)(de)影(ying)像。

    c.當上述(shu)方(fang)法皆取(qu)不(bu)到影(ying)(ying)像(xiang)且影(ying)(ying)像(xiang)卡的取(qu)像(xiang)工具程序(xu)顯示沒有(you)(you)訊號輸入(ru)時(shi), 則有(you)(you)下列(lie)幾種可能：

· Camera 接(jie)到影像(xiang)卡的連接(jie)端(duan)口設定錯(cuo)誤, 例如明明接(jie)到B接(jie)頭卻設定成A接(jie)頭

· Line-scan Camera 電源沒接(jie)

· Camera 的訊號線有問題, 請(qing)換(huan)條線試試

· 最糟的(de)狀況－Camera 有問題需要換另外一臺試試

    d.當然(ran)影(ying)像卡壞掉的(de)狀況(kuang)也不無可能, 但最好是(shi)(shi)先到(dao)系(xi)統的(de)硬件(jian)管理員下先查看是(shi)(shi)否是(shi)(shi)驅動程序沒裝好,或者是(shi)(shi)驅動有(you)裝了但是(shi)(shi)還(huan)是(shi)(shi)認不到(dao)卡, 要是(shi)(shi)連卡都認不到(dao)時(shi)請換個PCI插(cha)槽或計算機試(shi)試(shi), 要是(shi)(shi)還(huan)是(shi)(shi)認不到(dao)卡那么就趕快送修。

    2、整(zheng)合測試

    （1）Line-scan Camera 與燈(deng)源搭配(pei)之取(qu)像

    在確(que)定Line-scan Camera 跟影(ying)像(xiang)(xiang)卡的(de)(de)取像(xiang)(xiang)功(gong)能(neng)正(zheng)常之后(hou), 接下來的(de)(de)動(dong)作(zuo)則是要(yao)把Line-scan Camera 架(jia)起來至機(ji)臺的(de)(de)預定工(gong)作(zuo)距離的(de)(de)位(wei)(wei)置, 之后(hou)把輔助燈(deng)源架(jia)上去(qu)(建議(yi)機(ji)構(gou)設計(ji)上預留(liu)可以調整位(wei)(wei)置及(ji)角(jiao)度(du)的(de)(de)彈(dan)性), 確(que)定光(guang)(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)投射(she)位(wei)(wei)置可以讓(rang)Line-scan Camera 的(de)(de)CCD Sensor 感光(guang)(guang)(guang)(guang)(注意: 線(xian)性燈(deng)源的(de)(de)方向性應與Linear CCD 呈(cheng)水(shui)平), 然后(hou)放一(yi)(yi)張(zhang)白(bai)色(se)紙張(zhang)在待測(ce)(ce)區再作(zuo)一(yi)(yi)次取像(xiang)(xiang)測(ce)(ce)試(shi), 這個動(dong)作(zuo)主(zhu)要(yao)是要(yao)先確(que)定光(guang)(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)架(jia)設位(wei)(wei)置及(ji)角(jiao)度(du)是否正(zheng)確(que), 白(bai)色(se)紙張(zhang)可以輔助確(que)認光(guang)(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)均勻(yun)度(du)。

    關(guan)于(yu)Camera 的(de)架設位(wei)置(zhi)(zhi), 有些系統設計(ji)者(zhe)會考慮讓(rang)待測(ce)體固定位(wei)置(zhi)(zhi)不(bu)動(dong)(dong)(dong), 反而讓(rang)Line-scan Camera 固定在(zai)可以(yi)運動(dong)(dong)(dong)的(de)軸承或機械手臂上, 關(guan)于(yu)這(zhe)點筆者(zhe)建議(yi)最好(hao)還是Camera 固定不(bu)動(dong)(dong)(dong)由(you)待測(ce)體移(yi)動(dong)(dong)(dong)位(wei)置(zhi)(zhi)去作成像檢測(ce), 主要(yao)的(de)原因在(zai)于(yu)當Camera 處于(yu)運動(dong)(dong)(dong)的(de)狀(zhuang)態(tai)下, 其(qi)加減速的(de)震動(dong)(dong)(dong)可能(neng)會讓(rang)取出來的(de)影像模糊失焦。

   （2）馬達運(yun)動與攝影機取像之頻率

    確(que)定Line-scan Camera 跟(gen)燈(deng)源的(de)架設位置可以取到(dao)均勻的(de)影像后(hou), 接下來即(ji)可開始結合(he)運動(dong)(dong)控制測試連續取像, 這個(ge)動(dong)(dong)作最重要的(de)部份在于而(er)確(que)定Line-scan 的(de)Line Rate跟(gen)運動(dong)(dong)速度之間的(de)關系, 過(guo)快或過(guo)慢的(de)運動(dong)(dong)速度都會造成取出(chu)來的(de)影像變形(xing), 因此(ci)要確(que)定最佳移(yi)動(dong)(dong)速度才可以得到(dao)不變形(xing)的(de)影像, 如(ru)何知(zhi)道該下多(duo)少Command Pulse 是最佳移(yi)動(dong)(dong)速度可透過(guo)以下的(de)公式(shi)計(ji)算出(chu)來。

公式1－運動速度(Moving Speed) = 像素尺寸(Pixel Cell Size) / 線(xian)周(zhou)期(qi)(Line Period)

    公式2 －最佳移動(dong)速度(Command Pulse of Velocity) = 單(dan)位pulse移動(dong)距離 x Moving Speed

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

    假設送出Command Pulse = 10,000實際移動距離為10mm時, 則代表1Pulse = 1um，那么最佳移動速度 = 1um x 9416.19um/s ≒ 9,416pps
 

    （3）外部觸發(External Trigger)同步取(qu)像

    當然(ran)上(shang)述的(de)運動速度數據(ju)有小數點上(shang)的(de)差(cha)距爭議, 因此就實(shi)際Line-scan 取(qu)(qu)像上(shang)還需(xu)搭配正確(que)的(de)位置比(bi)對作外部(bu)觸(chu)發(fa)取(qu)(qu)像, 才可以達到等比(bi)例(li)的(de)影(ying)像, 外部(bu)觸(chu)發(fa)的(de)訊號目(mu)前主要有分為 TTL 及LVDS, 而(er)外部(bu)觸(chu)發(fa)的(de)訊號多是來(lai)自Encoder 的(de)到位訊號, 因此針對補償些微(wei)差(cha)距的(de)問題, 部(bu)份(fen)影(ying)像卡(ka)廠商(shang)會提(ti)(ti)供(gong)取(qu)(qu)像轉換比(bi)例(li) (Rate Conversion Ratio) 功能, 提(ti)(ti)供(gong)使用(yong)者去設定Line Pitch 跟 Encoder Pitch 之間的(de)比(bi)例(li)對應進而(er)達到補償的(de)目(mu)的(de)。

    一般(ban)影(ying)像卡的(de)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)取(qu)(qu)像模(mo)(mo)式(shi)包括硬(ying)(ying)件(jian)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(Hardware Trigger), 軟(ruan)(ruan)件(jian)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(Software Trigger)及(ji)聯合(he)(he)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(Combine Trigger)三種(zhong)模(mo)(mo)式(shi), 硬(ying)(ying)件(jian)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)主要(yao)是(shi)將 Encoder 的(de)實際到位(wei)訊(xun)(xun)號(hao)(hao)以TTL或(huo)LVDS的(de)形式(shi)將訊(xun)(xun)號(hao)(hao)接至影(ying)像卡的(de)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)接點(dian)(dian)去(qu)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)Camera 取(qu)(qu)像(注(zhu)意: 部份影(ying)像卡接收觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)接點(dian)(dian)本身并沒有作(zuo)絕緣保護(hu), 因此(ci)需要(yao)先將Encoder 到位(wei)訊(xun)(xun)號(hao)(hao)接到光耦(ou)合(he)(he)器(qi)(Photo Couple) 再從光耦(ou)合(he)(he)器(qi)接至影(ying)像卡的(de)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)接點(dian)(dian), 否則(ze)很容易把(ba)影(ying)像卡給(gei)燒壞(huai)掉), 而(er)軟(ruan)(ruan)件(jian)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)則(ze)是(shi)利用程序計算(suan)或(huo)條(tiao)件(jian)式(shi)去(qu)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)取(qu)(qu)像, 聯合(he)(he)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)則(ze)是(shi)結(jie)合(he)(he)硬(ying)(ying)件(jian)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)及(ji)軟(ruan)(ruan)件(jian)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)模(mo)(mo)式(shi)然后(hou)依據系統(tong)設計的(de)執行需求去(qu)取(qu)(qu)決(jue)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)取(qu)(qu)像的(de)時間點(dian)(dian), 但是(shi)以Line-scan取(qu)(qu)像的(de)特性而(er)言筆者(zhe)還(huan)是(shi)比較建議使用硬(ying)(ying)件(jian)觸(chu)發(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)較為準(zhun)確。

    Line-scan 影(ying)像卡(ka)的(de)取(qu)像模(mo)式分為WEB及PAGE兩種, 通常Line-scan 取(qu)像可以確定水平的(de)FOV, 假若(ruo)已(yi)知(zhi)待測體(ti)面積的(de)情況下(大(da)概可以計(ji)算掃(sao)描完一個大(da)概是多少條Lines時) 便可使(shi)用(yong)PAGE模(mo)式取(qu)像, 但(dan)是假若(ruo)無法預知(zhi)待測體(ti)的(de)尺寸面積情況下(例如:紡織(zhi)品(pin), 紙(zhi)張, 膠(jiao)卷/底片)則需(xu)使(shi)用(yong)WEB模(mo)式取(qu)像。

    觸(chu)發(fa)取像是可以決定究竟是要(yao)使用(yong)連續觸(chu)發(fa)取像(Trigger per Line),或者是要(yao)片(pian)(pian)段觸(chu)發(fa)取像(Trigger per Page), 例如:每500條Lines送出一次(ci)Trigger, 每次(ci)Trigger連續抓500條Lines的數(shu)據, 然(ran)后(hou)先組成片(pian)(pian)段影像進行影像處理。

    1) 連(lian)續觸發取像

    這(zhe)種觸(chu)發(fa)(fa)取像需(xu)求(qiu)只能使(shi)用硬(ying)件觸(chu)發(fa)(fa)的(de)方式, 一(yi)(yi)定(ding)要把(ba)Encoder實(shi)際的(de)到位訊號接(jie)至影(ying)像卡(ka)的(de)觸(chu)發(fa)(fa)接(jie)點(dian)才行, 另外連續(xu)觸(chu)發(fa)(fa)取像還(huan)有(you)一(yi)(yi)些限制, 例如(ru): 當馬達(da)Encoder的(de)分辨率(lv)不(bu)(bu)夠(gou), 或(huo)者運動控制卡(ka)送出Trigger頻(pin)(pin)率(lv)不(bu)(bu)夠(gou)快,或(huo)者影(ying)像卡(ka)本身接(jie)收(shou)觸(chu)發(fa)(fa)的(de)頻(pin)(pin)率(lv)不(bu)(bu)夠(gou)快時, 那(nei)么即(ji)使(shi)Camera 規格(ge)可以作(zuo)超高(gao)頻(pin)(pin)率(lv)取像(部份高(gao)速(su)Camera取像頻(pin)(pin)率(lv)每秒超過7萬條(tiao)Lines), 但是系統運行起(qi)來仍會因(yin)為(wei)其中某項規格(ge)無法(fa)滿足而被迫降低取像頻(pin)(pin)率(lv), 因(yin)此(ci)假若系統一(yi)(yi)定(ding)要用連續(xu)觸(chu)發(fa)(fa)取像時, 則在高(gao)速(su)取像的(de)規格(ge)搭配上(shang)還(huan)是必需(xu)注意這(zhe)點(dian)。

    2) 片段觸發取像(xiang)

    這(zhe)種觸發取像(xiang)需求對于(yu)運動速(su)(su)度(du)(du)及(ji)取像(xiang)頻(pin)率(lv)之間的要(yao)求度(du)(du)非常高(gao), 取像(xiang)的速(su)(su)度(du)(du)一定(ding)要(yao)一致才行(注意:千萬別在運動加速(su)(su)段或減速(su)(su)段送出(chu)Trigger, 這(zhe)會造成取到的影像(xiang)變形)。

    透過上(shang)述的(de)整合測試可(ke)以讓Line-scan系(xi)統作正(zheng)常的(de)取像運(yun)行(xing), 但是(shi)就實務(wu)上(shang)的(de)系(xi)統檢(jian)測而言系(xi)統的(de)校(xiao)(xiao)調(Calibration)還是(shi)絕對必需的(de)。而系(xi)統的(de)校(xiao)(xiao)調是(shi)可(ke)以透過一(yi)些輔助工具去(qu)達成, 但是(shi)要重現最(zui)佳的(de)檢(jian)測精度還是(shi)必需靠系(xi)統設計者的(de)重復驗(yan)證去(qu)決定最(zui)佳的(de)校(xiao)(xiao)調順序與方法。

四、結語

    目(mu)前(qian)(qian)許多高科技(ji)(ji)產(chan)業(ye)(ye)的(de)(de)(de)生命周期(qi), 不(bu)外(wai)乎(hu)從先(xian)期(qi)開發制(zhi)造到量產(chan)技(ji)(ji)術轉移而(er)(er)后最終到薄利代工的(de)(de)(de)成本導向(xiang), 而(er)(er)不(bu)論哪個周期(qi)對(dui)于檢測設備(bei)的(de)(de)(de)需求總是(shi)(shi)會不(bu)斷的(de)(de)(de)出現, 而(er)(er)且(qie)值得(de)欣慰的(de)(de)(de)是(shi)(shi)雖然目(mu)前(qian)(qian)并沒有革命性的(de)(de)(de)高科技(ji)(ji)產(chan)業(ye)(ye)是(shi)(shi)由國內業(ye)(ye)者(zhe)自(zi)行(xing)作先(xian)期(qi)開發制(zhi)造, 但是(shi)(shi)至少(shao)那(nei)些技(ji)(ji)術領先(xian)的(de)(de)(de)國家在(zai)(zai)(zai)作量產(chan)技(ji)(ji)術轉移的(de)(de)(de)規劃(hua)時第一(yi)個會想到可(ke)以承接(jie)的(de)(de)(de)就(jiu)是(shi)(shi)臺灣(wan), 因此國內的(de)(de)(de)檢測設備(bei)業(ye)(ye)者(zhe)在(zai)(zai)(zai)這部份便有一(yi)些得(de)天獨厚的(de)(de)(de)環境, 可(ke)以率(lv)先(xian)取得(de)這些臺灣(wan)承接(jie)量產(chan)技(ji)(ji)術廠商的(de)(de)(de)生產(chan)檢測設備(bei)需求, 但是(shi)(shi)有商機(ji)跟(gen)需求存在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)同時, 提升檢測系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)技(ji)(ji)術與規格與產(chan)業(ye)(ye)能(neng)夠(gou)接(jie)軌也是(shi)(shi)設備(bei)業(ye)(ye)者(zhe)不(bu)可(ke)怠懈的(de)(de)(de)課題。此篇文章對(dui)于已開發線掃(sao)描的(de)(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)(tong)業(ye)(ye)者(zhe)而(er)(er)言或許仍有許多不(bu)夠(gou)深入(ru)的(de)(de)(de)地(di)方, 但是(shi)(shi)希(xi)望對(dui)于有意(yi)想跨入(ru)線掃(sao)描系(xi)(xi)統(tong)(tong)但卻完全沒經驗的(de)(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)(tong)設計者(zhe)而(er)(er)言能(neng)有所幫助。