工業用相機(面陣列)選用分享

選工業用相機說簡單很簡單，說難，仔細研究以後還真難。

基本上的步驟大概可以歸類如下：

1. 計算需要的解析度
2. 選擇相機感測器規格
3. 選擇廠商

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就這三個步驟有甚麼難的？

計算需要的解析度：

首先要確認待檢測目標物所需要的光學解析度，
例如想要看到10微米大小的瑕疵，
如果選擇光學學系統解析度是10微米，那在相機的感測器上表現出來的就是1個點，
如果解析度是5微米，在相機上看到的就是2x2=4個點，
如果想要看到更清楚的輪廓，例如光學解析度到2.5微米，在相機上看到的就是4x4=16個點，
從10微米解析度到2.5微米解析度，在感測器上原本的1個點會變成16個點的表示，如下圖示：

左邊是圓形瑕疵，右邊是感測器訊號狀態
使用Powerpoint畫圓、畫方，計算方塊面積中圓的比例

計算亮度(灰階值)使用PP的自訂色彩(R51,G51,B51) > (R191,G191,B191)填入方格

其實RGB轉灰階Y有另外一個轉換公式，Y=0.299R+0.587G+0.114B，網路上有很多介紹。

那一個比較清楚？當然是2.5微米解析度會看到更多瑕疵的細節，
當然可以繼續下去以獲得更高的解析度，
但是成本高，可成像檢查範圍小。
另外還有一個問題是以上的圖形是圓剛好放在Pixels的中間位置，
如果不是在中間位置，那又是另外一回事，
尤其是不對稱的情況下，如何檢出並判斷出正確尺寸？
還有當特徵邊緣的對比沒有到如上述的255:51的情況時，
狀況可能又不同了，
所以另外可能還需要使用"次像素分析"來找出特徵的真正邊緣。

除了感測元件的像素大小以外，
還有光波長的極限也會限制到最小的解析度，
基本上的可見光範圍，若使用短長藍光，400nm左右，
一般光學顯微鏡解解析度極限大概是波長的一半 0.2微米；
如果使用更短波長的非可見光(深紫外線)，有機會看到更小，
或者是用其他的技術輔助(如近場光學、干涉、螢光...)等，一些介紹可以參考連結。

一般來說工業生產製造應用上不會去看次微米級的瑕疵，
通常選擇要辨識物體最小尺寸 1/3 算是比較常見的考量，
所以要辨識 10微米大小的瑕疵，可以設定光學解析度為 10/3=3.33微米，
當然也有人更冒險號稱可選擇 1/2 10/2 = 5 微米的光學解析度進行AOI。

更新：
最近有機會到一家台灣AOI大廠"面試"，
問到瑕疵檢出跟所需要的光學解度Pixels關係，
他們採用了更保守的考量，4個 Pixels，
也就是 5微米的瑕疵會使用1.25微米光學解析度來作檢出，
3個Pixels是他們想要努力的目標。

選擇相機感測器規格

決定好光學解析度以後，再來要選擇所需要的感測器規格：

解析度：

通常表示為 HxV，
例如像液晶電視的表示方式1920x1080，或者用 2 MP (Million Pixels，百萬像素)，
工業用相機從早期常見的30萬畫素(0.3MP)，到現在有高達49MP的感測器，
當然價格也跟解析度的差距一樣。
所需要解析度選用考慮要從檢測物大小，
還有一次要看到的範圍 (FOV) 跟所需要的光學解析度開始；
例如被感測物大小為 4.8mm x 3.6mm，如果希望能夠在一個畫面中看到整個物件，
考慮定位誤差，需要看到的範圍大小設定為 6mmx4.8mm，等於容許+-0.6mm的定位誤差，
因此若選擇光學解析度為5微米，那需要感測器像素解析度(Pixel resolution) 為 6mm/0.005mm x 4.8mm/0.005mm = 1200x960，
如果光學解析度要求為3.33微米，那感測器解析度要求是1800x1440。
如果光學解析度要求為 2.5微米，那感測器解析度要求是2400x1920。
所以要找到解析度大於等於以上的解析度要求，例如2400x1920=4608000=4.61MP

像素尺寸(其實是像素中心距離)：

以上是估算光學解析度轉換算相機像素解析度(數量)，
但是光學解析度尺寸不等於是相機的解析度尺寸，
相機上的像素大小跟光學解析度的關係要再加上鏡頭倍率影響。
這時候需考慮感測器元件製造商生產的產品規格，
不是使用者想選多少就有多少，通常就是幾種尺寸可以選，
以面陣列最大廠商 Sony 的 Image sensor 為例，

在區分給工業用途的 Global Shutter 相機中像素尺寸有 2.74, 3.45, 4.5, 5.86, 6.9, 9.0 um，

其他消費級、監控用、手機用的尺寸就更多，可以參考 Sony Semiconductor網站。

這些像素尺寸大小跟光學解度之間的差異就要靠鏡頭倍率來轉換；
2017/8/10查到網站資料最小的相機像素尺寸有 1um。
例如光學解析度要求為2.5um，像素尺寸為1um，鏡頭的倍率就是 1/2.5 = 0.4倍，
如果選擇像素尺寸為3.75um，鏡頭倍率為3.75/2.5=1.5倍。

以同樣設計、製程的感測器來說，
像素尺寸跟影像品質有關，基本上像素尺寸越大越好，但是價格就會越貴，
而且感測器整體尺寸也會變大，所需要的鏡頭也會更大，
這時候就整體光學系統就會變成越貴；
因此感測器像素尺寸的選擇就必須在功能、品質跟預算之間取得一個平衡，
這時候難度就來了。

尤其是相關解析度跟像素尺寸關係是完全沒有規則的，
完全看半導體元件廠商的產品策略，
所以有時想要的解析度跟尺寸搭配有是根本不存在的，必須選擇較大一級來確保成像範圍。

像素尺寸反映出來在規格上大概就是：
動態範圍(Dynamic Range)，同一畫面中的亮暗對比，越高越好，
訊號雜訊比(SNR)，背景雜訊佔訊號的比例，越低越好，

鏡頭連接規格也會跟像素尺寸有關：

C/CS Mount：
螺紋規格 1"，32TPI，安裝平面到感測器距離17.526/12.526 mm，開口範圍就是1"，所以有效可通過光線的口徑也受到限制。

圖片來源：Opto Engineering

F-Mount：
Nikon單眼相機鏡頭的規格，開口範圍 44mm，安裝平面到感測器距離為46.5mm，
用F Mount相機有一個好處，除了工業用鏡頭以外，有一堆相容 F Mount的單眼相機鏡頭可以使用，
尺寸、焦段比C Mount鏡頭選擇性多很多，價格就看等級，事實上也真的有人這樣用在設備上。

圖片來源：Opto Engineering

M42、M58、M72：
螺紋規格，螺紋節距都是0.75mm，安裝平面到感測器距離沒有規定。

通常感測器尺寸要計算對角線的長度，對應到鏡頭的有效最大成像圈(Image Circle)。

相機接口與感測器尺寸

其實市面上也有許多轉接環，可以在不同接口之間轉換，但是要注意的是成像圈的限制。

電子快門模式：

Rolling(慢)/Global(快，適合動態影像)

圖片來源：Teledyne Dalsa

訊號解析度：

8、10、12、16 bit，一個畫素中的明暗分級，
8 (0~255)，10 (0~1023)、 12 (0~4095)、16(0~65535)，
這個部分也會反映在相機輸出影像資料的 Dynamic Range。

圖片來原：FLIR

每秒畫面率(fps，frame per second)：
其實跟資料傳輸頻寬有關，所以會跟畫素解析度和訊號解析度有關，也會關係到選用的輸出接口選擇，如下。

訊號輸出接口：

Camera Link HS (6000) > CoaXpress(781.25) > Camera Link (B255/M510/H680) > USB3.0 (300) > GiGE (100) > USB2.0 (60)，(x)中的數字是每秒傳輸資料量 MB/s。

其中USB跟GiGE可以使用電腦上既有的USB跟網路接口，不需要額外的影像擷取卡。
但是使用時電腦上的USB/網路埠供電必須要夠相機用，
否則就需要額外供電，或者使用市面上專門的卡，可以供電跟同時提供滿足連線的需求；
GiGE的好處是連線長度可以長達100M，電腦系統負擔也比較小，缺點就是速度較慢；
不過現在有推出新的GiGE規格，可以到 1GB/s。

Camera Link，圖片來源：Basler網站

CoaXpress，圖片來源：Optronis網站

USB 3.0，圖片來源：Basler網站

GiGE，圖片來源：Basler網站

以上這些規格都會影像到相機轉換光線成為數位影像的結果，也跟價格有關。

很多相機都還有一個額外的接口可以做為電源供應、數位輸入輸出(啟動拍照跟閃光等控制用)，接口的型式不一定，看相機設計考量。

量子轉換效率 Quantum Efficiency：

另外要注意的是適用的光波長，基本上有分彩色跟灰階相機，
另外還有適合遠紅外線跟紫外線的相機。

通常彩色跟灰階相機都是使用一般的矽半導體元件，將光轉換成電子，

圖片來原：FLIR

彩色會加上彩色濾光片轉換特定波長範圍的光強度為電子訊號強度，
為了避免近紅外線影響電子訊號強度，彩色相機通常會加上IR cut filter。

圖片來源：Sony IMX253/IMX304 彩色感測器

灰階相機會接受大範圍的波長並且都轉成電子訊號強度，所以兩種相機能夠看到的影像細節可能會不同。

圖片來源：Sony IMX253/IMX304 灰階感測器

紫外線跟遠紅外線相機量子轉換效率通常較低，所以必須使用多個像素強度來合成計算成光的訊號強度，所以通常解析度會低很多。

相機廠商選擇：

選擇相機廠商第一重要就是$$$，
原因是當作完以上功課時，通常相機用的感測器規格就已經決定了，
相機剩下的部分就電路板、外殼，
這些部分的價差會因為相機廠商的不同設計而有不同的價格，
這時候就看口袋深度跟意願要用那一家相機廠商，
理論上越貴的用料應該會越好，運作上越穩，雜訊越少，越不容易熱當跟損壞。

在台灣，一般規格相機，Basler、Point Gray、Dalsa、Sentech、Sony...各有擁護者，
但是也有少數特殊規格跟設計廠商可以選。

但是選廠商有一個很重要的是所提供的SDK資源夠不夠，
免得到時候寫程式問題一大堆。