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moi所屬現代詞,指的是Manual Optical Inspector的縮寫,中文叫半自動光學檢查儀。

  
moi

MOI基本知識介紹

  2011/12/28

  一、 什麼是MOI?

  MOI是Manual Optical Inspector的縮寫,中文叫半自動光學檢查儀。我們也叫它電子放大鏡、電子顯微鏡、視頻放大鏡、視頻顯微鏡等。

  MOI適應於各行各業微小元件或圖案的視頻觀察,我們基於SMT行業的應用,但不局限於此。比方說PCB行業、半導體行業、珠寶行業、模具行業、印刷行業、古董鑒賞、生物和醫藥行業、公安系統等各行業都有非常廣泛的應用。

  對於TOPEYE MOI的優勢,主要表現在三個方面:

  1、比人工目檢更清晰,比自動光學檢查更方便,可以提升產品工藝過程多個環節的品質控制。如SMT行業可用來觀察精細錫膏印刷、微小元件貼片和精細間距貼片、微小焊點的焊接情況等。既可以優於人眼觀察,也可以比自動設備更經濟便捷,還能彌補自動光學設備的不足。

  2、比人工目檢更輕鬆,目前許多工廠都是採用帶環形燈管10倍光學放大鏡來直接觀測工件,員工很容易視覺疲勞,而視頻顯示更加直觀,看起來也不會疲勞。MOI是解決勞動強度的好幫手,也是便於企業招工和留住操作工人的手段。

  3、可以提升企業形象。雖然MOI不是太新的產品,技術上也已經沒有太多突破不了的難度;雖然在工業應用中很廣泛;但MOI並不普及,還沒有被用戶完全接受,很多人認為是可有可無的東西、是錦上添花的東西。但如果你有了,競爭對手沒有,你便有了更強的競爭能力,也就是說提升了企業的市場形象。哪怕你買了不用,對你的客戶,也是一個賣點。

  TOPEYE MOI的結構包括工業相機、工業鏡頭、光源、顯示器和安裝支架五部分組成。

  具體原理如下:

  合適的光源照射待測物件————鏡頭通過光圈和焦距的控制調節光通量————光通量作用於CMOS感測器將光信號轉化為電信號————放大轉換到視頻系統。而這些系統各個單元都靠安裝支架安裝、固定和聯繫在一起。

  二、 工業相機介紹

  1、 概述

  工業相機,相比於傳統的民用相機而言,它具有高的圖像穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等,目前市面上工業相機大多是基於CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)晶元的相機。

  CCD相機與CMOS相機都是光電二極體將光信號轉化為電信號,再將電信號數字化處理。但二者在數據傳輸的方式有所不同,進而在成本和應用上產生一些差異。其差異主要表現在以下幾個方面:

  CMOS成本低,CCD成本高;

  CMOS適合拍攝靜止物體,拍攝運動物體時有拖影,甚至圖像變形,而CCD適合拍攝靜止和運動物體

  CMOS色彩還原性不如CCD

  CMOS更依賴周圍光亮效果,靈敏度比CCD低

  CMOS功耗更低

  隨著CCD與CMOS感測器技術的進步,兩者的差異有逐漸縮小的態勢,例如,CCD感測器一直在功耗上作改進,以應用於移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo);CMOS感測器則在改善解析度與靈敏度方面的不足,以應用於更高端的圖像產品。

  由於TOPEYE MOI主要拍攝靜止物體,而且從成本計,目前主要以CMOS相機為主。

  2、 基本參數

  2-1、感測器尺寸

  
CCD/CMOS尺寸圖像尺寸(mm)
水平H垂直V對角D
1"12.89.616.0
2/3"8.86.611.0
1/2"6.44.88.0
1/3"4.83.66.0
1/4"3.62.74.0
每款相機出廠時已經固定好感測器尺寸,不可以調整。同時,感測器與鏡頭尺寸要兼容。要遵循「鏡頭最大兼容尺寸≥相機晶元尺寸」。見下表:

  
鏡頭規格CCD/CMOS晶元
1"2/3"1/2"1/3"1/4"
1"OKOKOKOKOK
2/3"NGOKOKOKOK
1/2"NGNGOKOKOK
1/3"NGNGNGOKOK
2-2、解析度

  解析度(Resolution):相機每次採集圖像的像素點數(Pixels)。對於數字工業相機一般是直接與光電感測器的像元數對應的,解析度由相機所採用的晶元決定的。水平解析度與垂直解析度相乘即為相機的解析度。

  例如:一個相機的解析度是1280(H)X1024(V),表示每行的像元素是1280,像元的行數是1024,兩項相乘就是130萬像素。在對同樣大小的視場成像時,解析度越高,對細節的展示越明顯

  2-3、幀數

  最大幀率(Frame Rate)/行頻(Line Rate):即相機採集傳輸圖像的速率,對於面陣相機一般為每秒採集的圖像數量(Frames/Sec.),對於線陣相機為每秒採集的行數(Hz)。一般來說,解析度越高,幀數越低。

  2-4、像素深度

  像素深度(Pixel Depth):即每像素數據的位數,一般常用的是8Bit,對於數字工業相機一般還會有10Bit、12Bit等。像素深度越大,可以增強觀察和測量的精度,但大大降低了系統的速度。

  2-5、像元尺寸

  像元尺寸(Pixel Size):像元尺寸是相機晶元上每個像元的物理尺寸,像元大小和像元數(解析度)共同決定了相機晶元的大小。目前數字工業相機像元尺寸一般為3μm-10μm,一般像元尺寸越小,製造難度越大,圖像質量也越不容易提高。像元尺寸越大,在外部條件相同情況下,所成像的圖像將會越亮。

  例如:一個1/2"的相機晶元,其水平尺寸是6.4mm,要使其達到1280的解析度,則其像元尺寸為6.4/1280=5μm。

  2-6、與鏡頭的介面

  相機與鏡頭是配合使用的,業內形成幾種常用的介面,從而使相機和鏡頭生產具有通用性。一般的相機與鏡頭均是螺紋口的,外螺紋尺寸為25.4mm。安裝有兩種工業標準,即C安裝座和CS安裝座。兩者螺紋部分相同,但兩者從鏡頭到感光表面的距離不同。

  C安裝座:從鏡頭安裝基準面到焦點的距離是17.526mm。

  CS安裝座:特種C安裝,此時應將相機前部的墊圈取下再安裝鏡頭。其鏡頭安裝基準面到焦點的距離是12.5mm。如果要將一個C安裝座鏡頭安裝到一個C S安裝座相機上時,則需要加裝一個5mm厚的接圈。

  2-7、數字相機信號輸出介面

  對於數字相機,其信號輸出主要有VGA介面、USB介面、IEEE1394(1394a和1394b)、GIGE、Camera Link等。每種介面方式都有不同的使用特性,適於不同的應用。

  VGA介面:直接顯示,顯示速度高、圖像清晰無閃爍,集成度高、性能穩定、故障率低。

  USB介面:與電腦通訊方便,PC標準介面,可運行測量軟體。

  IEEE1394介面:又稱火線,傳輸速度快,穩定。

  GigE介面:千兆乙太網介面,速度更快,PC標準介面。

  Camera Link介面:主要是線陣相機採用,價格昂貴

  2-8、工業相機的擴展功能

  可調參數:相機有很多參數可以在相機或軟體中調節,包括亮度、對比度、曝光時間等。

  帶存儲卡功能:有些相機加裝了存儲卡,可直接拍照或攝像后存儲在存儲卡上。

  軟體功能:附帶驅動軟體,可以調節相機參數,並能進行拍照和攝影。

  測量功能:可相對比較測量(十字線坐標),也可以軟體實現絕對測量。

  3、 如何選擇工業相機

  3-1、根據應用的不同分別選用CCD或CMOS相機

  CCD相機主要應用在運動物體的圖像提取,如貼片機機器視覺,當然隨著CMOS技術的發展,許多貼片機也在選用CMOS照相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD相機比較多。

  CMOS相機由成本低,功耗低也應用越來越廣泛。尤其對MOI而言,選用CMOS相機已經足夠。

  3-2、解析度的選擇

  首先考慮待觀察或待測量物體的精度,根據精度選擇解析度。相機像素精度=單方向視野範圍大小/相機單方向解析度。則相機單方向解析度=單方向視野範圍大小/理論精度。

  若單視野為5mm長,理論精度為0.02mm,則單方向解析度=5/0.02=250。然而為增加系統穩定性,不會只用一個像素單位對應一個測量/觀察精度值,一般可以選擇倍數4或更高。這樣該相機需求單方向解析度為1000,選用130萬像素已經足夠。

  其次看相機的輸出,若是體式觀察或機器軟體分析識別 ,解析度高是有幫助的;若是VGA輸出或USB輸出,在顯示器上觀察,則還依賴於顯示器的解析度,相機解析度再高,顯示器解析度不夠,也是沒有意義的;利用存儲卡或拍照功能,相機解析度高也是有幫助的。

  3-3、與鏡頭的匹配

  一是感測器晶元尺寸小於或等於鏡頭尺寸,C或CS安裝座也要匹配(或者增加轉介面)

  3-4、相機幀數選擇

  當被測物體有運動要求時,要選擇幀數高的相機。像我們在接駁台上用的在線MOI或是經常要拖動工件的MOI就要選用幀數較高相機。但一般來說解析度越高,幀數越低。

  三、 工業鏡頭介紹

  1、概述

  工業相機鏡頭是工業相機不可缺少的一部分,它的優劣對工業相機的好壞有著很大的影響,合適的的工業相機鏡頭可以讓我們在使用工業相機的過程中有事半功倍的效果。工業鏡頭的選擇有很深的學問。

  工業相機鏡頭是TOP MOI關鍵部件。可以簡單理解為相機解決有無的問題,而鏡頭卻解決圖像好壞的問題。

  2、工業鏡頭的分類

  2-1、相機鏡頭安裝分類

  C安裝座與CS安裝座。

  工業相機鏡頭一般是螺紋口的,頭安裝有兩種工業標準,即C安裝座和CS安裝座。兩者螺紋部分相同,但兩者從鏡頭到感光表面的距離不同。C 安裝座:從工業相機鏡頭安裝基準面到焦點的距離是 17.526mm。CS 安裝座:特種C安裝,此時應將工業相機前部的墊圈取下再安裝鏡頭。其鏡頭 安裝基準面到焦點的距離是 12.5mm。

  如果要將一個C安裝座工業相機安裝到一個CS安裝座工業相機上時,則需要使用鏡頭轉換器。

  2-2、以工業相機鏡頭規格分類

  一般有1",2/3"、1/2"、1/3" 四種規格,應與相機晶元相符合,不然,觀察角度不符合設計要求,或者將發生畫面在焦點以外等問題。對應關係見下表。

  
鏡頭規格CCD/CMOS晶元
1"2/3"1/2"1/3"1/4"
1"OKOKOKOKOK
2/3"NGOKOKOKOK
1/2"NGNGOKOKOK
1/3"NGNGNGOKOK
2-3、以工業相機鏡頭光圈分類

  工業相機鏡頭有手動光圈(manual iris)和自動光圈(autoiris)之分,配合相機使用,手動光圈鏡頭適合於亮度不變的應用場合,自動光圈鏡頭因亮度變更時其光圈亦作自動調整,故適用亮度變化的場合。

  2-4、以工業相機鏡頭的視場大小分類

  標準鏡頭:視角 3 0 度左右,在 1/2 英寸 CCD/CMOS工業相機中,標準鏡頭焦距定為 1 2 mm,在 1/3 英寸CCD/CMOS工業相機中,標準鏡頭焦距定為 8 mm。

  廣角鏡頭:視角 9 0 度以上,焦距可小於幾毫米,可提供較寬廣的視景。

  遠攝鏡頭:視角 2 0 度以內,焦距可達幾米甚至幾十米,此鏡頭可在遠距離情況下將拍攝的物體影像放大,但使觀察範圍變小。

  變倍鏡頭(zoom lens):也稱為伸縮鏡頭,有手動變倍鏡頭和電動變倍鏡頭兩類。

  可變焦點鏡頭(vari—focus lens):它介於標準鏡頭與廣角鏡頭之間,焦距連續可變,即可將遠距離物體放大,同時又可提供一個寬廣視景,使監視範圍增加。變焦鏡頭可通過設置自動聚焦於最小焦距和最大焦距兩個位置, 但是從最小焦距到最大焦距之間的聚焦,則需通過手動聚焦實現。

  針孔鏡頭:鏡頭直徑幾毫米,可隱蔽安裝。

  2-5、從工業相機鏡頭焦距上分

  短焦距鏡頭:因入射角較寬,可提供一個較寬廣的視野。

  中焦距鏡頭:標準鏡頭,焦距的長度視CCD/CMOS的尺寸而定。

  長焦距鏡頭:因入射角較狹窄,故僅能提供狹窄視景,適用於長距離監視。

  變焦距鏡頭:通常為電動式,可作廣角、標準或遠望等鏡頭使用。

  3、工業鏡頭的基本參數

  3-1、焦距

  焦距(f),是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式,指從透鏡的光心到光聚集之焦點的距離。亦是相機 中,從鏡片中心到CCD/CMOS等成像平面的距離。

  焦距越小,景深越大; 焦距越小,畸變越大; 焦距越小,漸暈現象越嚴重,使像差邊緣的照度降低。一個鏡頭的焦距是由其曲率半徑決定的,是固定不變的.

  而像距是隨被攝物與鏡頭光學中心的距離改變而改變的----這就是要獲得清晰的成像必須要對焦的原理.

  一般工業相機鏡頭的焦距為4mm,6,8,12,16,25,35,50mm

  3-2、光圈和相對孔徑

  光圈是一個用來控制光線透過鏡頭,進入相機晶元光量的光學裝置,它通常在鏡頭內,呈多邊形或圓形,面積可變的的裝置。通過調節鏡頭光圈大小,可以控制鏡頭的入光量,圖像的亮度便隨之變化。

  相對孔徑是指鏡頭入瞳直徑與焦距的比值,相對孔徑(NA)=(最大光圈尺寸W/焦距f)。相對孔徑是判斷鏡頭性能如解析度、焦深(焦平面允許移動的距離)、光亮度的重要指標,NA值越高,解析度越高、光亮度越高、焦深越小。

  3-3、視場和視場角

  視場是指鏡頭能觀測到的實際範圍的物理尺寸;以被測物像可通過鏡頭的最大範圍的兩條邊緣構成的夾角,稱為視場角。

  3-4、工作距離

  目標和鏡頭之間的距離叫鏡頭的工作距離。實際使用時,要注意的是,一個鏡頭不能對任意物距下的目標都清晰成像,所以鏡頭的工作距離是個有限的範圍。

  3-5、最大兼容CCD/CMOS尺寸

  所有鏡頭都只能在一定範圍內清晰成像,最大兼容CCD/CMOS尺寸指鏡頭能支持的最大清晰成像的範圍。鏡頭的最大CCD/CMOS兼容尺寸一定要大於或等於相機晶元尺寸。其匹配關係可見上面相應的表格。

  3-6、景深

  鏡頭在垂直方向上能清晰成像的空間距離,稱為景深。一般來說,鏡頭的焦距越短,景深越大,焦距越長,景深越短。對同個鏡頭,光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大。

  從理論上講,鏡頭參數固定以後,只有一個「物平面」可以在「像平面」完美成像,離開這個「物平面」的物體將在「像平面」以外聚焦,點 投影在「像平面」就形成圓,稱為「模糊圈」,實驗證明光圈越大,模糊圈就越大。 人眼能識別的最小模糊圈半徑以下的圖像都認為是清晰的,所以光圈越小,人眼看到的成像清晰的範圍越多,也就是景深越大,相反,光圈越大,人眼看到的清晰範圍越小,也就是景深越小了。

  3-7、畸變

  鏡頭在成像時,特別是用短焦距鏡頭拍攝大視場,圖像會發生變形,這種情況叫做鏡頭的畸變,這是由於鏡頭的光學結構和成像特性引起的。拍攝的視場越大,所用焦距越短,畸變的程度就越明顯。

  3-8、解析度

  鏡頭解析度是兩點間在無法識別前,能靠近的最近距離測量值,是衡量鏡頭將非常靠近的點、線及物體表面作為單獨圖元進行成像的能力。一般以微米為單位。

  3-8、視場、倍率、焦距之間的關係

  
moi

如圖:托普科公司E330三維視頻檢測儀產品
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