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ラインセンサカメラとエンコーダとの同期撮影方法

メインページ光学系

ラインセンサを使った撮影システムについては以前、紹介していますが、ラインセンサカメラとエンコーダを使った一般的な撮影方法について紹介したいと思います。
(詳細な撮影方法については画像入力ボードにより異なりますので、画像入力ボードの説明をご参照下さい。)
ラインセンサカメラ撮影システム

フォトセンサ等の外部トリガから各種ディレーの設定をし、ラインのスキャン間隔をエンコーダと同期しながら撮影する場合のタイミングは以下のようになります。

ラインセンサカメラとエンコーダとの同期撮影方法

上図のように外部トリガの入力からエンコーダのパルスをカウントし、指定したパルス数分(上図:指定パルス数1)撮影をディレイさせます。
ラインのスキャン間隔もエンコーダのパルス数(上図:指定パルス数2)を用いて指定します。

さらに指定パルス1のディレイ設定から何ライン分(上図:指定ライン数)遅らせてから画像の入力を開始するか?の設定をします。

つまり、外部トリガからのディレイ量はエンコーダのパルス数を用いて表すと、

  ディレイパルス数 = 指定パルス数1 + 指定パルス数2 × 指定ライン数

となります。

このことからも分かるように、ラインセンサで画像を撮影した時の縦横比の調整代は上図の指定パルス数2の値で決まります。
この事を考慮した上でエンコーダの分解能を選定下さい。ただし、エンコーダのパルス数は画像入力ボード側でエンコーダのカウント数を2逓倍、4逓倍するものもあります。

注意事項

■露光時間の設定について
ラインスキャンの露光時間については、ラインのスキャン間隔(ライントリガ間隔)で決まるものと、スキャン間隔とは別に露光時間を設定できるものとがあり、露光時間を設定できるか、できないかは、使用するラインセンサカメラに依存します。

■ラインセンサカメラの同期撮影設定について
ラインセンサカメラとエンコーダとを同期させるには、画像入力ボードからラインセンサカメラに同期信号を入力させる必要があります。そのためには、画像入力ボードラインセンサカメラ両方の同期撮影設定が必要となります。
ちなみに、ラインセンサカメラの同期撮影方法の用語はカメラメーカにより、以下のように、いくつかありますのでご注意下さい。
【同期撮影】
外部同期、外部トリガ
【非同期撮影】
内部同期、内部トリガ、フリーラン、自走モード
※内部/外部という表現はカメラ基準となっています。
※ここでの「外部トリガ」というのは、最初の図のフォトセンサからのトリガ信号ではなく、ラインスキャンの同期信号(ライントリガ)の事を差すので、混同しないようにご注意下さい。

■エンコーダのパルス選定について
エンコーダのパルス分解能が高い程、ラインセンサカメラで撮影した時の画像の縦横比の調整がより微調整が可能となりますが、画像入力ボードに接続できるエンコーダ信号に最高周波数の制限がある場合が多いので、特に高速で撮影する場合などはご注意下さい。

■スキャンレートの設定について
スキャンレート(ラインスキャンする間隔)は上図の指定パルス数2で設定する事ができますが、当然ながらカメラの最速スキャンレートよりも速い設定をする事はできません。
特に高速でスキャンする場合、スキャンレートの設定は、画像の分解能のみならず、スキャン速度(時間)も考慮した上で設定して下さい。

■エンコーダパルスの安定性に関して
エンコーダとラインセンサカメラを同期させて撮影するときは、できるだけエンコーダのパルスが安定(定速)した状態で撮影して下さい。モータの定速区間での撮影をオススメします。
ラインセンサカメラとエンコーダとの同期撮影方法

■駆動モータにステッピングモータを用いる場合の注意点!
駆動モータにステッピングモータを用いる場合、さらに注意が必要です。
ステッピングモータの移動量を横軸に時間、縦軸に移動量(回転角度)を取ると下図のようになります。
ラインセンサカメラとエンコーダとの同期撮影方法

上図の丸の部分をパルスレベルで細かく見ると、下図のように階段状に回転角度が変化しています。
これは、モータがステップ駆動なので、このようになるのですが、ステージの慣性モーメントや回転速度によっても、フラツキ具合は異なるので、一概には言えませんが、台形駆動の定速駆動であっても、パルスレベルでみると一定では無いという事に注意して下さい。
ラインセンサカメラとエンコーダとの同期撮影方法

さらに、これを踏まえた上で、エンコーダを使ってステージとラインセンサを同期させて撮影する事を考えます。
エンコーダと同期してラインセンサで撮影するという事は、一定間隔の角度で1ラインごと撮影するという事となります。
そこで、例えば下図のように赤の横線の間隔で撮影すると、青い線との交点の間隔(時間)でラインセンサ1ラインごとに撮影されるので、下図の縦線(オレンジの線)の間隔がラインセンサのスキャン間隔という事になります。
ラインセンサカメラとエンコーダとの同期撮影方法
ここで注意しないといけないのが、上図のようにスキャン間隔がバラついてしまうと、場合によってはラインセンサカメラの最速のスキャンレートよりもエンコーダ同期信号の間隔(時間)の方が短くなってしまう場合があり、撮影できないラインが発生してしまう場合があります。
ラインセンサで撮影する場合、
最速のスキャンレート(時間)エンコーダ同期信号の間隔(時間)
の条件を満たす事が必要です。

ラインセンサカメラとエンコーダとの同期撮影方法
そうならないためにも、ステッピングモータでの移動(回転)分解能に対して、ラインセンサの撮影分解能(スキャン間隔)は余裕を持ってラインセンサ(最速スキャンレート)、モータ、ステージ(移動分解能)を選定して下さい。

このばらつき量はいろいろな条件が絡むので、一概には良く分かりませんが、経験値的にはモータ1パルスの±50%程度、ばらつく事を覚悟しておいた方が無難だと思います。

この、ステッピングモータがカクカク動く現象はモータ業界では、振動騒音という用語で表現されます。
(参考)オリエンタルモータの技術資料 この↓資料のH-37ページを参照下さい。
http://www.orientalmotor.co.jp/knowledge/technical/pdf/SteppingMotor_Tech.pdf

振動が原因によりラインセンサで撮影できない現象が発生した場合、スキャン間隔(送り方向の撮影分解能、スキャンレート)は装置や検査の要求仕様などで決まってくるため、変えられないと思うので、マイクロステップ対応のモータドライバなどの低振動タイプのドライバの選定をするなどして、ステッピングモータの移動分解能に対してエンコーダ同期信号の分解能が大きくなるように設計して下さい。

余談ですが...
もともと、メカ屋だった私は昔、この現象を体験した事があり、原因を追究している時に、ハード屋さんは、エンコーダのパルスがばらついているんじゃないか?エンコーダの精度が悪いんじゃないか?とか言うのですが、エンコーダそのものは、それなりの精度で作られてるし、モータは定速運転しているのだから、エンコーダがばらつくハズが無い!とか言っていたのですが、ハード屋さんがオシロスコープを持ち出して、エンコーダの信号を見せつけられ、やっぱりエンコーダの信号がばらついているでしょ!と言われ、完敗した覚えがあります。
よくよく考えると、モータがステッピング駆動なのだから、エンコーダのパルスがばらつくのは当たり前ですね~。(アナログのクォーツ時計の秒針にエンコーダを取り付けているようなものなので...)
特に低速で駆動している場合は振動が大きくなりやすいので、注意が必要です。
 

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 ラインセンサカメラ撮影システム
 
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