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CIS相机在工业AOI的应用和发展

随着现代工业制造技术发展,对产品的品质控制以及自动化生产的要求越来越高,机器视觉作为一项新兴的工业自动化技术在各行各业得到了广泛应用。机器视觉的主要功能为:作为自动化系统的“眼睛”,替代人工进行产品的识别、定位、缺陷检查、运动引导等工作,在高速流水线、危险环境、高重复性动作、高精密度检查等人力越来越难以胜任的场合发挥着重要作用。 作为机器视觉技术中非常重要的一个分支,自动光学检测(AOI,Automatic Optical Inspection)在工业化领域得到广泛应用,已成为现代制造业的必备环节,其克服了人工检查个体差异大、稳定性差(疲劳度与外界因素影响)、效率低下、重复性差等缺点,为制造业的产品质量控制与制造水平提升发挥着越来越大的作用。线阵扫描AOI技术的发展与现代化制造水平密切相关,伴随着光电成像技术发展不断在各个领域得到深入应用。1969年美国贝尔实验室的Willard S. Boyle和George E. Smith发明了CCD(Charge-coupled Device,电荷耦合器件)技术,实现了感应光线并将图像转变成数字信号的功能。有几家公司接续此一发明,包括快捷半导体(Fairchild Semiconductor)、美国无线电公司(RCA)和德州仪器(Texas Instruments)。快捷半导体的产品率先上市,于1974年发表500单元的线阵传感器和100×100像素的面阵传感器。随着线阵传感器的产品化,基于该技术的工业AOI技术迅速发展,在1975年便实现了商用化的设备。随后,在欧美与日本等发达国家,基于线阵平台的AOI技术蓬勃发展,在各个行业得到了广泛应用。 CIS(Contact Image Sensor,接触式图像传感器),是继线阵CCD、CMOS技术之后发展完善的一类新型光电成像传感器。其将柱状透镜(Rod Lens,如图1-1)、LED阵列光源、感光元件阵列、信号放大电路集于一体,由光源发出的光线经被扫描物反射后,通过柱状透镜投射聚焦于感光元件阵列,由感光元件阵列将光信号转化为电信号并经信号放大电路进行放大输出,经后端处理后直接形成扫描对象的完整影像。CIS工作原理如图1-2所示。由于CIS的整体集成性(省去了传统成像方式的光学镜头),传感器体积可有效控制,在设备便携性、安装调试、整体集成方面相比传统的“CCD/CMOS+光学镜头”方式优势明显,可见图1-3;采用LED光源阵列可有效控制设备功耗,使用寿命长,且无需预热;采用柱状透镜实现物体与感光元件1:1成像,无传统光学透镜的像场几何畸变,对物体高质量还原,在成像质量上优势明显[12]。CIS图像传感器最早被用于传真机、扫描仪等商用设备,随着技术进步发展,在金融机具、医疗设备、工业检测装备领域已得到越来越广泛的应用,具体应用领域如下表所示。需要说明的是,CIS图像传感器在工业领域针对平面产品(如玻璃、橡胶、薄膜等行业)的自动光学检测方面具有巨大的应用空间。

2.pn图1-1 柱状透镜阵列
图1-2 CIS成像工作原理

由于CIS所固有的优势(体积小、功耗低、成本优势),在很多领域已替代CCD器件,因此其自诞生以来,即得到了各行业的关注与应用。国外厂商早已开展了CIS图像传感器的应用研究,并在各个行业占据了统治地位。工业在线检测领域,目前全球的工业级CIS传感器市场基本被德国Tichawa公司和日本三菱公司把持。德国Tichawa公司研发的工业宽幅面的CIS线阵相机如图1-4所示,日本三菱公司开发Mitsubishi CIS KD 系列产品如图1-5所示。国内主要由术有科技在主力研发和推广,已经推出Python400,Python658,Python800,Python940等产品。

我国正处于工业化、信息化高速发展的历史时期,各行业对基于CIS技术的高端信息化装备的需求也与日俱增。在制造业领域,为了提升企业竞争力,增加产品附加值,越来越多的企业提出了基于CIS技术的工业自动光学检测设备需求。从电子、军工等高端应用行业,到纺织、印染等传统制造行业,都有着迫切的需求。术有科技争取为国内CIS的线阵AOI技术的发展与工程化应用推动起到积极有力的作用。

图1-4 Tichawa的MAXICIS线阵相机
图1-5 三菱的工业CIS线阵相机

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