PC-based架构的线扫描影像检测系统

机械视觉应用在各种产业的生产制造及品质检测已是深入人心。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采集及分析, 但是随着产品尺寸的加大(例如PCB, LCD面板, 晶圆), 在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开始无法满足这些要求, 而人们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产业需求。

但是线扫描的检测系统必需利用运动速度才能取得面积影像，这与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，除了要了解线扫描系统的工作原理及如何选择主要组件外，最重要也是最基本的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类组件。视觉组件主要包括：线性扫描摄影机, 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。

（1）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,至12288像素(pixels)都有,通常刚开始接触线扫描系统的使用者在挑选 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扫描的速度可以提升4倍甚至是8倍?

（2）影像采集卡的选择
Line-scan Camera 由于取像数据量大，因此多为数字式。目前影像采集卡主要就是以DSP架构跟非DSP架构两大主流。虽然DSP架构可以做影像前处理并节省系统时间, 但由于影像卡厂商大多不开放给使用者自行更改, 故在价格及功能弹性上的考虑而言，国内市场使用者还是以非DSP架构居多。此外, 在选择影像卡时系统取像的最大可能数据量及数据接口也是考虑因素的一部份。

（3）光源的选择
在选择辅助光源时, 切勿将区域扫描(Area-scan)用的交流电(AC Power)光源用在线性扫描(Line-scan)上, 线性扫描应该选用交流电(DC Power)光源作为辅助。除了交流电的光源闪烁频率问题外, 另外光源的选择及使用上还要注意：光源的色温、光源的均匀度、灯源的生命周期、光源的架设位置等。

（4）镜头的选择
就Line-scan Camera 而言，通常只要分辨率大于2048pixels(含)以上, 摄影机厂商便会将接环设计成F-Mount (背焦距离为12mm)。对于2048pixels以上的 Line-scan Camera 来说，采用F-Mount (接环内径约43mm) 镜头较佳, 但 F-mount 规格的镜头多设计用于单眼摄影像机用途, 故规格不如C-Mount 及CS-Mount 镜头多样化，同时价格上较高。

（5）运动控制的种类与特性
－PLC vs. PC Based。运动控制以PLC起源较早, 而PC-based 的运动控制是近十年的趋势, 但是早期使用惯PLC的系统设计者很难快速的由PLC转移到 PC-based 上, 主要的原因是硬件的控制架构及编程的逻辑与接口几乎完全不同。一套线性扫描的影像系统，它的运动控制究竟是PC-based 还是PLC较为合适？

PLC 架构本身是通过串行讯号(RS-232或RS-485)下达运动速度位置等指令, 这种架构在作Area-scan 的影像系统搭配上问题不大, 但是一旦应用在Line-scan 的影像系统时, 由于 Line-scan 对于每条 Line 的触发取像位置要求十分高，需要使用桥接接口的转换后再将讯号送给影像处理平台，因此遇到高速取像时讯号遗失的机会便非常高；PC-based 架构是利用运动控制卡送出指令脉冲去下达位置及速度, 并通过编码器传回马达的反馈脉冲，同时可以在行进过程中进行位置比对功能，由于无需经过桥接接口的转换，因此可让Line-scan的每条Line的触发取像同步且正确。