MOI是Manual Optical Inspector的缩写,中文叫半自动光学检查仪。我们也叫它电子放大镜、
电子显微镜、视频放大镜、视频显微镜等。
知识介绍
2011/12/28
一、 什么是MOI?
MOI适应于各行各业微小元件或图案的视频观察,我们基于
SMT行业的应用,但不局限于此。比方说PCB行业、
半导体行业、珠宝行业、模具行业、
印刷行业、古董鉴赏、生物和医药行业、公安系统等各行业都有非常广泛的应用。
对于TOPEYE MOI的优势,主要表现在三个方面:
⒈比人工目检更清晰,比自动光学检查更方便,可以提升产品工艺过程多个环节的品质控制。如SMT行业可用来观察精细锡膏印刷、微小元件贴片和精细间距贴片、微小焊点的焊接情况等。既可以优于人眼观察,也可以比自动设备更经济便捷,还能弥补自动光学设备的不足。
⒉比人工目检更轻松,目前许多工厂都是采用带环形灯管10倍光学放大镜来直接观测工件,员工很容易视觉疲劳,而视频显示更加直观,看起来也不会疲劳。MOI是解决劳动强度的好帮手,也是便于企业招工和留住操作工人的手段。
⒊可以提升企业形象。虽然MOI不是太新的产品,技术上也已经没有太多突破不了的难度;虽然在工业应用中很广泛;但MOI并不普及,还没有被用户完全接受,很多人认为是可有可无的东西、是锦上添花的东西。但如果你有了,竞争对手没有,你便有了更强的竞争能力,也就是说提升了企业的市场形象。哪怕你买了不用,对你的客户,也是一个卖点。
TOPEYE MOI的结构包括工业相机、
工业镜头、光源、显示器和安装支架五部分组成。
具体原理如下:
合适的光源照射待测物件————镜头通过光圈和焦距的控制调节光通量————光通量作用于
CMOS传感器将光信号转化为电信号————放大转换到视频系统。而这些系统各个单元都靠安装支架安装、固定和联系在一起。
工业相机
⒈概述
工业相机,相比于传统的民用相机而言,它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等,目前市面上工业相机大多是基于CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相机。
CCD相机与CMOS相机都是光电二极管将光信号转化为电信号,再将电信号数字化处理。但二者在数据传输的方式有所不同,进而在成本和应用上产生一些差异。其差异主要表现在以下几个方面:
CMOS成本低,CCD成本高;
CMOS适合拍摄静止物体,拍摄运动物体时有拖影,甚至图像变形,而CCD适合拍摄静止和运动物体
CMOS色彩还原性不如CCD
CMOS更依赖周围光亮效果,灵敏度比CCD低
CMOS功耗更低
随着CCD与
CMOS传感器技术的进步,两者的差异有逐渐缩小的态势,例如,
CCD传感器一直在功耗上作改进,以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo);CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足,以应用于更高端的图像产品。
由于TOPEYE MOI主要拍摄静止物体,而且从成本计,目前主要以CMOS相机为主。
⒉基本参数
2-1、传感器尺寸
每款相机出厂时已经固定好传感器尺寸,不可以调整。同时,传感器与镜头尺寸要兼容。要遵循“镜头最大兼容尺寸≥相机芯片尺寸”。见下表:
2-2、分辨率
分辨率(Resolution):相机每次采集图像的像素点数(Pixels)。对于数字工业相机一般是直接与
光电传感器的像元数对应的,分辨率由相机所采用的芯片决定的。水平分辨率与垂直分辨率相乘即为相机的分辨率。
例如:一个相机的分辨率是1280(H)X1024(V),表示每行的像元素是1280,像元的行数是1024,两项相乘就是130万像素。在对同样大小的视场成像时,分辨率越高,对细节的展示越明显
2-3、帧数
最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate):即相机采集传输图像的速率,对于面阵相机一般为每秒采集的图像数量(Frames/Sec.),对于线阵相机为每秒采集的行数(Hz)。一般来说,分辨率越高,帧数越低。
2-4、像素深度
像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数,一般常用的是8Bit,对于数字工业相机一般还会有10Bit、12Bit等。像素深度越大,可以增强观察和测量的精度,但大大降低了系统的速度。
2-5、像元尺寸
像元尺寸(Pixel Size):像元尺寸是相机芯片上每个像元的物理尺寸,像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机芯片的大小。目前数字工业相机像元尺寸一般为3μm-10μm,一般像元尺寸越小,制造难度越大,图像质量也越不容易提高。像元尺寸越大,在外部条件相同情况下,所成像的图像将会越亮。
例如:一个1/2寸的相机芯片,其水平尺寸是6.4mm,要使其达到1280的分辨率,则其像元尺寸为6.4/1280=5μm。
2-6、与镜头的接口
相机与镜头是配合使用的,业内形成几种常用的接口,从而使相机和镜头生产具有通用性。一般的相机与镜头均是螺纹口的,外螺纹尺寸为25.4mm。安装有两种工业标准,即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同,但两者从镜头到感光表面的距离不同。
C安装座:从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm。
CS安装座:特种C安装,此时应将相机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个C S安装座相机上时,则需要加装一个5mm厚的接圈。
2-7、数字相机信号输出接口
对于数字相机,其信号输出主要有
VGA接口、
USB接口、IEEE1394(1394a和1394b)、GigE、Camera Link等。每种接口方式都有不同的使用特性,适于不同的应用。
VGA接口:直接显示,显示速度高、图像清晰无闪烁,集成度高、性能稳定、故障率低。
USB接口:与电脑通讯方便,PC标准接口,可运行测量软件。
IEEE1394接口:又称火线,传输速度快,稳定。
GigE接口:千兆以太网接口,速度更快,PC标准接口。
Camera Link接口:主要是线阵相机采用,价格昂贵
2-8、工业相机的扩展功能
可调参数:相机有很多参数可以在相机或软件中调节,包括亮度、对比度、曝光时间等。
带存储卡功能:有些相机加装了存储卡,可直接拍照或摄像后存储在存储卡上。
软件功能:附带驱动软件,可以调节相机参数,并能进行拍照和摄影。
测量功能:可相对比较测量(十字线坐标),也可以软件实现绝对测量。
⒊如何选择工业相机
3-1、根据应用的不同分别选用CCD或CMOS相机
CCD相机主要应用在运动物体的图像提取,如贴片机机器视觉,当然随着CMOS技术的发展,许多贴片机也在选用CMOS照相机。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD相机比较多。
CMOS相机由成本低,功耗低也应用越来越广泛。尤其对MOI而言,选用CMOS相机已经足够。
3-2、分辨率的选择
首先考虑待观察或待测量物体的精度,根据精度选择分辨率。相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。则相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。
若单视野为5mm长,理论精度为0.02mm,则单方向分辨率=5/0.02=250。然而为增加系统稳定性,不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值,一般可以选择倍数4或更高。这样该相机需求单方向分辨率为1000,选用130万像素已经足够。
其次看相机的输出,若是体式观察或机器软件分析识别 ,分辨率高是有帮助的;若是VGA输出或USB输出,在显示器上观察,则还依赖于显示器的分辨率,相机分辨率再高,显示器分辨率不够,也是没有意义的;利用存储卡或拍照功能,相机分辨率高也是有帮助的。
3-3、与镜头的匹配
一是传感器芯片尺寸小于或等于镜头尺寸,C或CS安装座也要匹配(或者增加转接口)
3-4、相机帧数选择
当被测物体有运动要求时,要选择帧数高的相机。像我们在接驳台上用的在线MOI或是经常要拖动工件的MOI就要选用帧数较高相机。但一般来说分辨率越高,帧数越低。
工业镜头
⒈概述
工业相机镜头是工业相机不可缺少的一部分,它的优劣对工业相机的好坏有着很大的影响,合适的的工业相机镜头可以让我们在使用工业相机的过程中有事半功倍的效果。
工业镜头的选择有很深的学问。
工业相机镜头是TOP MOI关键部件。可以简单理解为相机解决有无的问题,而镜头却解决图像好坏的问题。
⒉工业镜头的分类
C安装座与CS安装座。
工业相机镜头一般是螺纹口的,头安装有两种工业标准,即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同,但两者从镜头到感光表面的距离不同。C 安装座:从工业相机镜头安装基准面到焦点的距离是 17.526mm。CS 安装座:特种C安装,此时应将工业相机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头 安装基准面到焦点的距离是 12.5mm。
如果要将一个C安装座工业相机安装到一个CS安装座工业相机上时,则需要使用镜头转换器。
2-2、以工业相机镜头规格分类
2-3、以工业相机镜头光圈分类
工业相机镜头有手动光圈(manual iris)和自动光圈(autoiris)之分,配合相机使用,手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合,
自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整,故适用亮度变化的场合。
2-4、以工业相机镜头的视场大小分类
标准镜头:视角 3 0 度左右,在 1/2 英寸 CCD/CMOS工业相机中,标准镜头焦距定为 1 2 mm,在 1/3 英寸CCD/CMOS工业相机中,标准镜头焦距定为 8 mm。
广角镜头:视角 9 0 度以上,焦距可小于几毫米,可提供较宽广的视景。
远摄镜头:视角 2 0 度以内,焦距可达几米甚至几十米,此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影像放大,但使观察范围变小。
变倍镜头(zoom lens):也称为
伸缩镜头,有手动变倍镜头和
电动变倍镜头两类。
可变焦点镜头(vari—focus lens):它介于
标准镜头与
广角镜头之间,焦距连续可变,即可将远距离物体放大,同时又可提供一个宽广视景,使监视范围增加。变焦镜头可通过设置自动聚焦于最小焦距和最大焦距两个位置, 但是从最小焦距到最大焦距之间的聚焦,则需通过手动聚焦实现。
针孔镜头:镜头直径几毫米,可隐蔽安装。
2-5、从工业相机镜头焦距上分
短焦距镜头:因入射角较宽,可提供一个较宽广的视野。
中焦距镜头:
标准镜头,焦距的长度视CCD/CMOS的尺寸而定。
长焦距镜头:因入射角较狭窄,故仅能提供狭窄视景,适用于长距离监视。
变焦距镜头:通常为电动式,可作广角、标准或远望等镜头使用。
3-1、焦距
焦距(f),是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式,指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是相机 中,从镜片中心到CCD/CMOS等成像平面的距离。
焦距越小,景深越大; 焦距越小,畸变越大; 焦距越小,渐晕现象越严重,使像差边缘的照度降低。一个镜头的焦距是由其曲率半径决定的,是固定不变的.
而像距是随被摄物与镜头光学中心的距离改变而改变的----这就是要获得清晰的成像必须要对焦的原理.
一般工业相机镜头的焦距为4mm,6,8,12,16,25,35,50mm
3-2、光圈和相对孔径
光圈是一个用来控制光线透过镜头,进入相机芯片光量的光学装置,它通常在镜头内,呈多边形或圆形,面积可变的的装置。通过调节镜头光圈大小,可以控制镜头的入光量,图像的亮度便随之变化。
相对孔径是指镜头入瞳直径与焦距的比值,相对孔径(NA)=(最大光圈尺寸W/焦距f)。相对孔径是判断镜头性能如分辨率、焦深(焦平面允许移动的距离)、光亮度的重要指标,NA值越高,分辨率越高、光亮度越高、焦深越小。
3-3、视场和视场角
视场是指镜头能观测到的实际范围的物理尺寸;以被测物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角,称为视场角。
3-4、工作距离
目标和镜头之间的距离叫镜头的工作距离。实际使用时,要注意的是,一个镜头不能对任意物距下的目标都清晰成像,所以镜头的工作距离是个有限的范围。
3-5、最大兼容CCD/CMOS尺寸
所有镜头都只能在一定范围内清晰成像,最大兼容CCD/CMOS尺寸指镜头能支持的最大清晰成像的范围。镜头的最大CCD/CMOS兼容尺寸一定要大于或等于相机芯片尺寸。其匹配关系可见上面相应的表格。
3-6、景深
镜头在垂直方向上能清晰成像的空间距离,称为景深。一般来说,镜头的焦距越短,景深越大,焦距越长,景深越短。对同个镜头,光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大。
从理论上讲,镜头参数固定以后,只有一个“物平面”可以在“像平面”完美成像,离开这个“物平面”的物体将在“像平面”以外聚焦,点 投影在“像平面”就形成圆,称为“模糊圈”,实验证明光圈越大,模糊圈就越大。人眼能识别的最小模糊圈半径以下的图像都认为是清晰的,所以光圈越小,人眼看到的成像清晰的范围越多,也就是景深越大,相反,光圈越大,人眼看到的清晰范围越小,也就是景深越小了。
3-7、畸变
镜头在成像时,特别是用
短焦距镜头拍摄大视场,图像会发生变形,这种情况叫做镜头的畸变,这是由于镜头的光学结构和成像特性引起的。拍摄的视场越大,所用焦距越短,畸变的程度就越明显。
3-8、分辨率
镜头分辨率是两点间在无法识别前,能靠近的最近距离测量值,是衡量镜头将非常靠近的点、线及物体表面作为单独图元进行成像的能力。一般以微米为单位。
3-8、视场、倍率、焦距之间的关系
如图2所示为托普科公司E330三维视频检测仪产品