一种相机高速成像装置及方法

技术领域

本发明属于自动光学检测技术领域，尤其是一种相机高速成像装置及方法。

背景技术

在自动光学检测技术领域，相机是最基本的成像感光器件。线阵相机及其组合可以获得一维或者二维的图像信号，面阵相机及其组合可以获得二维或者三维的图像信息。因此，为了获得检测工件表面的二维图像信息，可以通过线阵相机的组合配置或者面阵相机来实现，根据检测工件的情况可以分别选择线阵相机的组合配置或者面阵相机来实现。例如，如果工件的检测区域在长和宽至少一个维度上远远大于检测系统的光学视场尺寸时，则一般采用线阵相机匹配检测工件运动速度来进行间隔触发，并拼接出整幅工件表面图像信息，如金属带材、晶圆微观缺陷检测等应用；如果工件的检测区域与检测系统的光学视场尺寸相当，则采用面阵相机来进行成像能够降低硬件成本，提高成像效率，如3C零部件的AOI检测等领域。总体来说，在工业检测领域，线阵相机比面阵相机在应用层面的灵活度更高，能够覆盖面阵相机的大多数应用场景；但是，针对某些面向科研应用和高端工业检测场景的相机，市面上现有的相机都为面阵相机，如EMCCD相机以及日本滨松近些年推出的qCMOS相机。

为了提高光学系统的检测分辨能力，需要提升工件表面固定区域面积的分辨率，减小相机单像素对应的物方尺寸；为了避免在工件运动过程中检测产生的运动模糊，需要在工件运动单像素对应物方尺寸的时间范围内完成曝光成像。因此，针对高分辨率、高通量检测要求的工业场景，需要极大的提高自动光学检测技术的成像效率。从整体的光学检测系统来看，提高成像效率主要可以通过提高光源亮度、提高光学系统的通光孔径、提高成像相机的量子效率等因素。近些年推出的TDI线阵相机则是通过设置面阵像素结构，将单行像素的积分电荷进行逐行转移，并将转移的速度与检测工件的运动速度匹配，最终实现对工件表面的延迟积分和提高成像对比度的效果。TDI相机的时延积分结构需要电荷的逐行转移和积分，所以只能够针对线阵相机实现，而无法对面阵相机的像素排列实现，从而就进一步限制了面阵相机在高速检测场景中的应用。对于极微弱光信号探测的场景，EMCCD和qCMOS这类相机通过改进相机内部结构，提高了成像对比度，但仍一般需要较长的曝光成像时间，这对于科学研究领域往往是可以接受的，但对于工业高端高速检测领域则具有较低的可行性。

因此，提供一种针对面阵相机的相机高速成像装置及方法，是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种相机高速成像装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种相机高速成像装置

包括相机运动机构、成像相机、成像光学系统、相机运动机构控制驱动器、相机运动机构光栅尺、检测工件、载物运动台、运动台光栅尺、运动台控制驱动器；检测工件置于载物运动台上，成像相机通过相机固定装置与相机运动机构刚性连接，成像相机通过成像光学系统获取检测工件表面的图像；载物运动台和相机运动机构上分别安装有运动台光栅尺和相机运动机构光栅尺，运动台控制驱动器与相机运动机构控制驱动器之间通过线缆连接，运动台控制驱动器通过运动台光栅尺获取载物运动台的实时位置并完成运动的闭环控制，相机运动机构控制驱动器通过相机运动机构光栅尺获取相机运动机构的实时位置并完成运动的闭环控制。

载物运动台带动检测工件沿水平方向运动，成像光学系统通过成像光路将检测工件表面的图像成像到成像相机；所述成像光学系统的放大率为α，即工件表面区域的尺寸W通过成像光学系统映射后的空间尺寸变为α*W。

所述相机运动机构采用蜗轮蜗杆传动机构、直线电机传动机构或压电陶瓷与柔性铰链结合的运动机构，带动成像相机在平行于载物运动台的运动方向上实现双向运动。

所述运动台控制驱动器和相机运动机构控制驱动器通过脉冲电平信号连接，或通过EtherCAT、Profinet、RS485等总线技术来实现同步控制，或接入同一运动控制器，通过规划两个运动轴的运动路径实现两个运动机构(载物运动台和相机运动机构)的运动关系匹配。

所述相机运动机构控制驱动器与成像相机之间通过脉冲电平信号连接，通过相机运动机构控制驱动器向成像相机发送触发信号，控制成像相机的开始曝光和结束曝光。

所述运动台控制驱动器能够根据运动台光栅尺位置信号向相机运动机构控制驱动器发送控制运动指令，相机运动机构控制驱动器接收到运动指令后驱动相机运动机构运动。

二、一种相机高速成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)对检测工件表面其中一个视场开始进行成像，载物运动台从初始位置点A开始以V

步骤2)载物运动台到达设定位置点B，运动台控制驱动器通过脉冲电平信号或者总线指令向相机运动机构控制驱动器发出运动指令，相机运动机构控制驱动器开始驱动相机运动机构带动成像相机加速运动，运动方向与载物运动台运动方向相反；

步骤3)当相机运动机构运动速度加速到V

步骤4)相机运动机构持续保持V

步骤5)相机运动机构开始向反方向运动，在载物运动台达到位置点H前，相机运动机构向反方向运动的距离需达到S

步骤6)载物运动台运动到位置点H，位置点A和位置点H之间间隔成像相机一个视场的高度尺寸；

步骤7)继续循环步骤1)到步骤6)，实现对检测工件表面不同视场划分区域的成像。

所述步骤1)中，根据相机视场尺寸配置运动台光栅尺触发信号的位置间距，在成像前将检测工件表面划分为不同视场的成像区域。

设成像相机在相机运动机构加速到V

其中，V

设成像相机在相机运动机构保持V

设成像相机在相机运动机构减速到零的减速段运动距离为S

相机运动机构或载物运动台在运动中的位置需满足以下条件：

1)成像光学系统的像方视场尺寸大于成像相机的光敏成像面尺寸加上相机运动机构的运动距离S

2)成像相机光敏成像面尺寸为α*AH，AH为位置点A和位置点H之间的距离；

其中，S

α*AH＝α*(AB+BC+CD+DO+OH)＝S

3)相机运动机构的运动距离S

通过压缩S

所述步骤5)中，相机运动机构向反方向回程运动过程中不对成像相机进行曝光成像；因此不要求其回程运动过程中存在匀速运动段，只要满足在载物运动台202运动到下一视场成像开始位置前，相机运动机构完成回程运动即可。

本发明的有益效果是：

本发明的相机高速成像装置及方法，借鉴TDI相机的时间延迟积分实现原理，将面阵相机固定到运动机构上并使其运动速度匹配物方检测工件的运动速度，使得面阵相机的成像面与检测工件成像区域的像面图像相对静止，从而增加相机曝光积分的时间，提高相机的成像对比度。相比于常规的面阵相机固定安装成像方式，在避免运动模糊的前提下，其最多只能实现相机单像素对应物方视场尺寸所需运动耗时的曝光时间；本发明能够通过添加相机同步运动机构，能够在不降低检测效率的前提下，将相机的曝光时间提升二至三个数量级。

附图说明：

图1是线阵相机和面阵相机的工作场景示意图；

图2是TDI线阵相机的工作原理示意图；

图3是传统相机的工作场景示意图；

图4是相机拍摄工件表面得到的无运动模糊的图像及其像素级特征；

图5是传统相机的成像曝光开始位置和结束位置示意图；

图6是本发明实施例提出的相机高速成像装置示意图；

图7是按照视场尺寸分割的工件表面随检测工件运动的示意图，从T1时刻开始，在T2时刻和T3时刻载物运动台分别运动了一个视场高度的距离；

图8是本发明实施例提出的相机高速成像装置匹配检测工件运动的说明图，中间白框对应成像视场范围，左侧下图为速度与时间的关系曲线，左侧上图为运动距离与时间的关系曲线，其中实线曲线对应的是载物运动台，虚线曲线对应的是相机运动机构，左侧图绘制了本实施例下载物运动台与相机运动机构的速度和位置关系曲线，时间从T1到T2和从T2到T3，像方运动距离从点A到点H和从点A’到点H’，都分别对应于一个完整的成像流程；

图9是按照本发明实施例的相机成像曝光开始位置和结束位置示意图。

图中：相机运动机构(101)、相机固定装置(102)、成像相机(103)、成像光路(104)、成像光学系统(105)、相机运动机构控制驱动器(106)、相机运动机构光栅尺(107)、检测工件(201)、载物运动台(202)、运动台光栅尺(203)、运动台控制驱动器(204)

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

具体实施例：

图1所示为线阵相机和面阵相机的工作场景示意图，当工件检测区域面积远大于相机成像视场，需要相机相对于工件进行运动-扫描-拼接操作时，线阵相机和面阵相机的工作流程相同，可以使用线阵相机匹配替换面阵相机的应用场景。但是当工件检测区域面积小于相机成像视场时，则可以直接通过面阵相机获得工件表面全部信息进行分析，例如3C零部件的AOI尺寸检测等场景。

与科研场景不同，工业检测除了关心检测的分辨能力之外，还需要对检测的效率提出要求。而提升检测分辨率的常见做法之一为缩小检测视场，这会进一步对单视场检测的效率提出更高的要求。因此，在工业领域中的高速测量场景，TDI(Time Delayed andIntegration)线阵相机应运而生。如图2所示，TDI相机通过设置多行的线阵像素结构，将行间像素转移速度与工件运行速度匹配，从而在工件运行过程中实现更长时间的曝光。而针对面阵相机，相邻行的像素分别存储了对应空间位置的光强电子信息，无法实现行间像素的转移积分功能，因此也就无法实现类似TDI线阵相机的像素结构和曝光延长功能。

图3所示为传统相机的工作场景示意图，为了提高检测效率，在工业场景中往往采用飞拍的相机成像模式，即相机成像过程中工件始终处于持续运动状态。因此，在该条件下，为了避免拍摄的图像产生模糊，要求相机在单像素对应的物方视场尺寸的运动时间内完成曝光。

如图4所示为相机拍摄工件表面得到的无运动模糊的图像，从右图的局部放大图中可以看到其像素级的特征。若相机的曝光时间大于单个像素物方尺寸对应的运动时间，则将无法看清楚这类单像素的细节特征。图5所示为传统相机的成像曝光开始位置和结束位置示意图，成像曝光开始位置和结束位置之间的间隔小于单像素的物方尺寸。

图6是本发明实施例提出的相机高速成像装置示意图，包括相机运动机构101、相机固定装置102、成像相机103、成像光路104、成像光学系统105、相机运动机构控制驱动器106、相机运动机构光栅尺107、检测工件201、载物运动台202、运动台光栅尺203、运动台控制驱动器204。检测工件201放置在载物运动台202上方，运动台控制驱动器204通过运动台光栅尺获取载物运动台202的实时位置并完成运动的闭环控制；成像相机103通过相机固定装置102与相机运动机构101刚性连接，相机运动机构控制驱动器106通过相机运动机构光栅尺107获取相机运动机构101的实时位置并完成运动的闭环控制；成像相机103获取通过成像光学系统105处理变换后的光强信号104。载物运动台202带动检测工件201从左往右运动，从而实现了成像相机103对检测工件201表面的图像获取，便于后续的进一步图像分析及检测判别。运动台控制驱动器204与相机运动机构控制驱动器106之间通过线缆连接，运动台控制驱动器204能够根据运动台光栅尺203位置信号向相机运动机构控制驱动器106发送控制运动指令。

所述相机运动机构101可以是蜗轮蜗杆传动机构、直线电机传动机构或压电陶瓷与柔性铰链结合的运动机构，主要实现成像相机103在平行于载物运动台202的运动方向上双向运动能力。

所述运动台控制驱动器204和相机运动机构控制驱动器106可以通过脉冲电平信号连接，也可以通过EtherCAT、Profinet、RS485等总线技术来实现同步控制，也可以接入同一个运动控制器，通过规划两个运动轴的运动路径来实现两个运动机构的运动关系匹配。

所述相机运动机构控制驱动器106与成像相机103之间通过脉冲电平信号连接，当相机运动机构的101运动参数满足特定条件时，相机运动机构控制驱动器106将会向成像相机103发送触发信号，用于控制成像相机103的开始曝光和结束曝光。

所述成像光学系统105的放大率为α，即工件表面区域的尺寸W通过成像光学系统105映射后的空间尺寸变为α*W。

图7是按照视场尺寸分割的工件表面随检测工件运动的示意图。在此基础上，图8对本发明实施例提出的相机高速成像方法进行了说明。采用上述基于相机高速成像装置的相机高速成像方法包括以下步骤：

步骤1)载物运动台202开始以V

步骤2)载物运动台202到达指定位置点B，运动台控制驱动器204通过脉冲电平信号或者总线指令向机运动机构控制驱动器106发出触发信号，相机运动机构控制驱动器106开始驱动相机运动机构101带动成像相机103向载物运动台202相反运动方向加速运动。

步骤3)载物运动台202到达位置点C，相机运动机构101运动速度达到V

步骤4)成像相机103一直保持V

步骤5)相机运动机构101开始向反方向运动，在载物运动台202达到位置点H前，相机运动机构101运动距离达到S

步骤6)载物运动台202运动到位置点H，位置点A和位置点H之间间隔成像相机103一个物方视场的高度尺寸。

步骤7)继续循环步骤1)到步骤6)，实现对检测工件表面不同视场划分区域的成像。

如图8所示，相机运动机构101或载物运动台202的运动位置需满足以下条件：

1)相机运动机构101和载物运动台202按照固定比例速度进行匀速运动期间，对成像相机103实现曝光成像，因此要求成像光学系统105的像方视场尺寸至少大于成像相机103的光敏成像面尺寸加上相机运动机构101的总运动距离S

2)成像相机光敏成像面尺寸为α*AH，AH为位置点A和位置点H之间的距离；

其中，S

α*AH＝α*(AB+BC+CD+DO+OH)＝S

3)相机运动机构的运动距离S

S

所述步骤5)，相机运动机构101向反方向回程运动过程中不对成像相机103进行曝光成像，只要满足在载物运动台202运动到下一视场成像开始位置前，相机运动机构完成回程运动即可。

图9所示为按照本发明实施例的相机成像曝光开始位置和结束位置示意图。图像视场中心位置位于相机成像曝光开始位置附近，通过匹配相机同步运动，使得相机成像曝光结束位置可以远远大于单个像素的物方尺寸。例如单幅图像分辨率为1024*1024，则采用本发明装置及方法，最高可以实现1024个像素对应物方尺寸的曝光时间。因此，本发明能够将相机的曝光时间延长两到三个数量级，有助于提高相机的成像对比度。