一种相机高速成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种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；本发明专利技术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。时间提升二至三个数量级。时间提升二至三个数量级。

【技术实现步骤摘要】
一种相机高速成像装置及方法


[0001]本专利技术属于自动光学检测
，尤其是一种相机高速成像装置及方法。

技术介绍

[0002]在自动光学检测
，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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提出了一种相机高速成像装置及方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一、一种相机高速成像装置
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]二、一种相机高速成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0015]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V1的速度进行运动扫描，运动台控制驱动器通过读取运动台光栅尺信号持续获得载物运动台位置信号；
[0016]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；
[0017]步骤3)当相机运动机构运动速度加速到V2时，载物运动台到达位置点C，同时触发成像相机开始曝光；此时成像相机的运动速度与检测工件表面经过成像光学系统处理变换后的光强信号的运动速度相同，成像相机的成像面与检测工件表面经过成像光学系统处理后的共轭像面两者相对静止。
[0018]步骤4)相机运动机构持续保持V2的运动速度，直至载物运动台到达位置点D，此时触发成像相机停止曝光，随后，相机运动机构开始减速直到速度达到零，此时载物运动台达到位置点O；
[0019]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S1+S2+S3，即相机运动机构带动成像相机回到步骤2加速前的位置；
[0020]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；
[0021]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。
[0022]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。
[0023]设成像相机在相机运动机构加速到V2的加速段运动距离为S1，此时载物运动台从位置点B运动到位置点C，S1<α*BC，BC为位置点B和位置点C之间的距离；
[0024]其中，V2＝α*V1，α为成像光学系统的放大率；
[0025]设成像相机在相机运动机构保持V2运动速度时的匀速段运动距离为S2，此时载物运动台从位置点C运动到位置点D，S2＝α*CD，CD为位置点C和位置点D之间的距离，位置点C和位置点D之间的距离对应的运动时间即为成像相机的曝光时间；
[0026]设成像相机在相机运动机构减速到零本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相机高速成像装置，其特征在于，包括相机运动机构(101)、成像相机(103)、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)置于载物运动台(202)上，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，成像相机(103)通过成像光学系统(105)获取检测工件(201)表面的图像；载物运动台(202)和相机运动机构(101)上分别安装有运动台光栅尺(203)和相机运动机构光栅尺(107)，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)通过运动台光栅尺(203)获取载物运动台(202)的实时位置，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。2.根据权利要求1所述的一种相机高速成像装置，其特征在于，载物运动台(202)带动检测工件(201)沿水平方向运动，成像光学系统(105)通过成像光路(104)将检测工件(201)表面的图像成像到成像相机(103)；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。3.根据权利要求1所述的一种相机高速成像装置，其特征在于，所述相机运动机构(101)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(103)在平行于载物运动台(202)的运动方向上实现双向运动。4.根据权利要求1所述的一种相机高速成像装置，其特征在于，所述运动台控制驱动器(204)和相机运动机构控制驱动器(106)通过脉冲电平信号连接，或通过EtherCAT、Profinet、RS485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的运动关系匹配。5.根据权利要求1所述的一种相机高速成像装置，其特征在于，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，通过相机运动机构控制驱动器(106)向成像相机(103)发送触发信号，控制成像相机(103)的开始曝光和结束曝光。6.根据权利要求1所述的一种相机高速成像装置，其特征在于，所述运动台控制驱动器(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，相机运动机构控制驱动器(106)接收到运动指令后驱动相机运动机构(101)运动。7.一种权利要求1～6任一所述的相机高速成像装置的相机高速成像方法，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(202)从初始位置点A开始以V1的速度进行运动扫描，运动台控制驱动器(204)通过读取运动台光栅尺(203)信号持续获得载物运动台(202)位置信号；步骤2)载物运动台(202)到达设定位置点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相机运动机构控制驱动器(106)发出运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆宏杰，杨青，庞陈雷，王智，王兴锋，卓桐，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：