第四章 光学（视觉）系统 光学（视觉）系统是 AOI 设备中的“眼睛”，其主要组成部分由光源和相机组成。 一，光源 光源是为相机拍照提供照明的装置，一般分为彩色组合光源和白色光源，彩色组合光源实用于“图 像”对比和“颜色分析”，该理论最早由 OMRON 提出，此种光源通过 RGB 三种彩色光源通过不同的角 度对检测物件进行照射，根据反射原理可以在相机中呈现不同的颜色。 相 机 如将三种光线通过一个合适的角度照射到元件： 1、 在相对平整的焊锡面（焊盘）将会发生镜面反射，只有 红光经过近似垂直的方向照射后也正好反射到相机中， 绿光和红光通过反射均不能进入相机，所以我们在相机 中看到焊锡平面（焊盘）处为红色； 2、 一般焊点处的“斜坡”处的角度在 500, 通过蓝光经过斜 面的反射刚好进入相机，绿光和红光被反射在相机以外， 所以我们在相机中能看到焊锡“斜坡”（锡面）处为蓝色； 3、 由于元件本体表面相对粗糙，经过三种光的照射会形成 漫反射，红绿蓝三色光混合后相当于白色光照射，所以 我们在相机中看到元件本体的颜色是元件原有的颜色。 三色组合光源光对于解决元件焊点部分的缺陷是十分有效的（不同焊锡效果具有不同的颜色）。三 色光的各个颜色的光照角度每家公司设计尽不相同，但基本几何原理类似。 白色光源，可以通过不同的角度照射，可使检测物体不同角度呈现不同的亮度显示。白色光源分为 “同轴”、“线性”、“环形”等几类，此类光源适合用于“灰度解析”的检测方法。因为“灰度解析”主 要方法就是通过判断图像（黑白）的各个点的亮度和整体亮度变化的各种关系，该方法我们将在后面的 章节中详细讲解。 总之，光源对于相机成像是十分总要的，根据光源设计的角度便可确定光源的安装高度，不同的安 装高度可以得出不同的成像效果；另外，光源的亮度值是可调节的，调节时必须采用色卡（颜色标准） 对照调节，由于光源在使用过程中亮度会有衰减，所以定期校准光源的亮度是十分必要的。 二，相机 工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有较高的图像稳定性、较高 传输能力和较高抗干扰能力等。 工业相机是 AOI 视觉系统中的一个关键部件，其最主要功能就是将感光信号转变成为有序的电信 1 

号，以便计算及软件进行数字化处理。选择合适的相机也是 AOI 视觉系统设计中的重要环节，不同的相 机不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。 工业相机按按照芯片类型可以分为 CCD 相机、CMOS 相机；按照传感器的结构特性可以分为线阵 相机、面阵相机；按照扫描方式可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机；按照分辨率大小可以分为普通 分辨率相机、高分辨率相机；按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机；按照输出色彩可以分为 单色（黑白）相机、彩色相机；按照输出信号速度可以分为普通速度相机、高速相机；按照响应频率范 围可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。 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 是目前 AOI 视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷 存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD 的突出特点是以电荷作为信号，而不 同于其它器件是以电流或者电压为信号（CMOS 以电流为信号）。这类成像器件通过光电转换形成电荷 包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的 CCD 相机由光学镜头、时序及同步信 号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD 作为一种功能器件，与真空管相比，具有 无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。CMOS 图像传感器的开发最早出现在 20 世纪 70 年代初， 90 年代初期，随着超大规模集成电路 (VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS 图像传感器得到迅速发展。 CMOS 图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及 控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。目前，CMOS 图像传感器以其良好 的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。 主要参数： 1. 分辨率（Resolution）：相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于数字相机机一般是直接与光 电传感器的像元个数对应的，形象的比喻：像素 1024*768，在相机矩形感光面上，横列方向有 1024 个 感光元，纵列方向有 768 个感光元，两者相乘为：786432 个感光元，俗称 80 万像素，同理显示器的分 辨率表示的是纵横方向有多少个“发光元”。 1024 1024 80 万像素 768 1280 130 万像素 1024 “像素越多，检测效果越好”，这一直是一个误区，首先，像素与处理速度和传输速度是长反比的， 如果采用像素越高，相应的检测速度会降低；两外，对于 AOI 的检测而言，我们实际上采用像素的原则 是：采取只对检测有直接影响的像素，通过长时间的试验，在满足检测速度的基础上，大概需要的像素 为 1000*1000（100 万像素）就满足需要了，即使使用的是 200 万的相机也是浪费。随着相机的传输速 度的提高和计算机的处理能力调高，像素采集有待不断增高。 2. 像素深度（Pixel Depth）：即每像素数据的位数，一般常用的是 8Bit，对于数字相机机一般还会 2 

有 10Bit、12Bit 等。 3. 最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）：相机机采集传输图像的速率，对于面阵相机机一般 为每秒采集的帧数（Frames/Sec.），对于线阵相机机为每秒采集的行数（Hz），相机的帧率直接影响图像 传输的速度，一般而言，当前 CMOS 相机的帧率高于一般 CCD 的帧率，目前 AOI 使用的相机主流帧率 是：CCD-15F/s, CMOS-30F/s。 4. 曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：对于线阵相机机都是逐行曝光的方式，可以选择固 定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵相机 机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字相机机一般都提供外触发采图的功能。快门速 度一般可到 10 微秒，高速相机机还可以更快。 5. 像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机机靶面的大小。目前数字 相机机像元尺寸一般为 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。 6. 光谱响应特性（Spectral Range）：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是 350nm－1000nm，一些相机机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去 掉该滤镜。 工业相机国产化进程是相当快的，国内当前的工业相机生产厂商有北京大恒、方诚科技、杭州超艺、 陕西维视等。数据接口分为 USB、VGA、1394 等。 3