《画像ラボ》雜誌專文 —高速線材在機器視覺系統中的角色與品質重要性
作者: COMOSS集團技術長 (CTO) 王俊凱
隨著工業自動化、智慧製造及人工智慧應用的快速發展，機器視覺系統已被廣泛應用在各個領域。無論是半導體檢測、精密組裝、瑕疵檢測、病理檢測還是自動駕駛，視覺系統的核心價值在於快速、準確地獲取影像並即時分析。視覺系統 (圖一) 可以概括分為二個重要次系統與一個連接部件。即影像擷取系統、影像處理系統與連接線材。
(圖一) 機器視覺系統
在機器視覺中，線材不僅是單純的連接介質，更是數據傳輸的重要通道。它直接影響影像訊號的完整性、傳輸速率與系統穩定性。本文將探討影響線材高頻特性的原因與提出一些設計指引。
數位通訊系統信號判讀正確性的難易度，可以用訊號雜訊比 (Signal-to-Noise Ratio) 來了解。當訊號能量遠大於於雜訊其 SNR >>60dB 時，信號判讀正確率則趨近於100%；反之，當雜訊能量越大則信號判讀正確率則越來越小。
訊號能量大小，取決於源頭發射訊號能量大小與傳輸通道的損耗。而線材損耗則是通道損耗的主要來源。
線材損耗可以分為回波損耗 (Return Loss) 與插入損耗 (Insertion Loss) 兩種。
回波損耗是因傳輸通道或介面阻抗不匹配而被反射回源端的能量大小。如線材、連接器或 PCB 走線的阻抗未能（如 50Ω、75Ω、100Ω）未能匹配一致時，訊號能量的一部分將反射回去，使得反射波與原始波疊加造成原始訊號失真。另外反射訊號會在不同時間疊加到訊號上，使得訊號波形有了抖動與延遲。這些現象都導致了訊號完整性變差，眼圖閉合 (圖二)，影響接收端判斷。
RL(dB) = -20 log10(|Γ|) where Γ is Reflection Coefficient
Γ = (ZL – Z0) / (ZL + Z0), where ZL is the load impedance, and Z0 is the system's characteristic impedance.
當ZL與Z0差異越大時，其反射係數越大，則回波損耗越大；反之，ZL與Z0差異越小時或是ZL匹配於Z0時，其反射係數越小，則回波損耗越小。
(圖二) 阻抗匹配眼圖 V.S. 阻抗不匹配之眼圖
特性阻抗控制與匹配為減少回波損耗主要方式。圖三為一連接線纜的阻抗分佈曲線圖。高速連接器與高速線纜製造業者不斷提升製造品質與穩定度，以控制阻抗使其阻抗變化趨於和緩。屏蔽雙絞線材的幾何結構決定了線材的特性阻抗，其幾何結構包含了導體間距、對絞絞距、等效介電常數及屏蔽層等。
(圖三) 阻抗分佈曲線圖
而最後一哩路為線纜組裝製造商，其剝線、理線與焊線製程 (如圖三的Cable Management區域) 即為破壞線材的幾何結構，如圖四將屏蔽層剝除。而且傳統加工製程多為人工搭配簡易工具作業，加工公差無精準管控，造成阻抗變化劇烈。
COMOSS 累積多年經驗發展出自働化，人機協作模式搭配精加工的治具輔助，最小化圖四屏蔽層剝除長度 d，並確保公差值在穩定控制範圍內。除了尺寸的控制外，亦選用較高介電常數 (Dielectric Constant) 的材質包覆於線材加工區，降低高阻抗曲線 (圖五)。因而控制阻抗值穩定在一定範圍內，而減少回波損耗。
(圖四) 屏蔽層剝除長度
(圖五) 阻抗分佈曲線圖 V.S. 不同Dk 材料
插入損耗是因導體電阻、介質損耗、輻射與不連續結構等因素造成訊號能量衰減。其損耗主要來自於線材。
導體電阻造成的損耗主要是高頻訊號的集膚效應 (Skin Effect)，因為大部分電流集中於導體表面，所以導體表面的導電性與表面粗糙度就會影響其損耗程度。因此導體的電鍍材質與電鍍工藝即扮演重要的關鍵。目前常以鍍銀銅來減少導體衰減。另外導體股數 (圖六) 亦會影響損耗。在相同導體 AWG 規格其股數越多則導體 Flexibility 越好，但其高頻訊號損耗越大。所以導體 Flexibility 與訊號損耗為一權衡的問題。
(圖六) 體股數與Flexibility 關係
至於介質損耗問題，解決方式就比較單一為選擇低損耗、低耗散因子(Df)的絕緣材料。
在線材應用中，干擾 (Interference) 扮演雜訊的角色，亦是造成訊號完整性下降的因素之一，特別是在高速傳輸、工業環境、機器視覺系統中更為嚴重。常見干擾源為外部設備電磁干擾，如馬達、變頻器、電源模組或其他高頻設備。或是外部環境的脈衝干擾，如雷擊或靜電放電。
高速線材結構，除了差動訊號對採用屏蔽對絞結構 ( Shielding Twisted Pair)，線纜總體結構也需要屏蔽來抵禦外部設備與環境的訊號干擾。其屏蔽可以為鋁箔屏蔽與金屬銅線構成屏蔽。而金屬銅屏蔽又有較為柔軟的纏繞 (Spiral) 樣式與結構緊密不容易鬆散的編織 (Braid) 樣式。(圖七)
鋁箔屏蔽與金屬銅線屏蔽經常一起使用，使線材兼顧全頻段干擾抑制。
(圖七) 屏蔽結構
另外常見的干擾源為線纜內部的串音，線纜內部因為同時傳輸不同的訊號且多條導體彼此靠近，這時不同電磁場互相干擾與耦合。差動訊號對的屏蔽與線纜屏蔽方式一樣，除了有鋁箔屏蔽也可以增加金屬編織屏蔽，來降低不同訊號對間的串音。
線纜屏蔽結構為線材抗干擾第一步，再來則是線材組裝時的接地 (Grounding) 與屏蔽的完整性。屏蔽結構主要是阻檔雜訊於屏蔽層上，不耦合到訊號上影響訊號完整性。而接地是建立雜訊宣洩的路徑，將雜訊能量排除。如果屏蔽接地不佳或是沒有接地 (稱為屏蔽浮接floating)，則雜訊能量就會以輻射方式逸散，就可能影響到自身訊號或是其它設備。另外就是屏蔽的完整性 (圖八)，頻率越高的訊號越能從細小縫隙幅射出去。一般縫隙要小於 1/10 波長才能避免訊號幅射。所以線材加工時的完整屏蔽對於抗干擾相當重要。
(圖八) 屏蔽完整性
除了訊號能量的損耗與內外部干擾外，還有訊號間傳遞延遲不一致 (Skew) 也是常見影響訊號完整性的問題。Skew 指的是同一對差動訊號線 (Intra Pair Skew) 或不同對訊號間 (Inter Pair Skew) 傳輸延遲不一致。
例如：在差動對訊號 (Differential Pair) 中，正 (D+) 與負 (D–) 若傳輸時間不同步，會導致訊號在接收端無法完整抵消雜訊，產生誤碼。
Skew 產生主要原因是線長不一致，如對絞線的絞距不同，或是線材絞合時兩線的放線張力不同。這些線纜製程都可能會產生對絞對線長不一致。因此再更高速傳輸 (對訊號完整性要求更高) 應用下，線材結構由雙絞線 (Twisted Pair)，改用同軸線 (Coaxial) 或是雙軸線 (Twinax) 結構。
(圖九) 高速線線材結構
結論
現今的機器視覺相機已不再是低畫質、低速率的裝置。隨著解析度與幀率的提升，數據量呈指數級增長。龐大的資料必須在極短時間內，經由線材傳輸至處理單元。若線材無法支援高速傳輸，將造成影像延遲、掉幀、甚至數據錯誤，進而影響檢測精度與生產效率。這正是高速線材品質的重要性所在。本文說明了常見影響線材高頻原因及對應解決方式，以其對於各位未來應用有所幫助。
參考資料: VESA DisplayPort (DP) Standard Version 1.4
本文刊載於: 日本雜誌《画像ラボ》11月號
隨著工業自動化、智慧製造及人工智慧應用的快速發展，機器視覺系統已被廣泛應用在各個領域。無論是半導體檢測、精密組裝、瑕疵檢測、病理檢測還是自動駕駛，視覺系統的核心價值在於快速、準確地獲取影像並即時分析。視覺系統 (圖一) 可以概括分為二個重要次系統與一個連接部件。即影像擷取系統、影像處理系統與連接線材。
(圖一) 機器視覺系統
在機器視覺中，線材不僅是單純的連接介質，更是數據傳輸的重要通道。它直接影響影像訊號的完整性、傳輸速率與系統穩定性。本文將探討影響線材高頻特性的原因與提出一些設計指引。
數位通訊系統信號判讀正確性的難易度，可以用訊號雜訊比 (Signal-to-Noise Ratio) 來了解。當訊號能量遠大於於雜訊其 SNR >>60dB 時，信號判讀正確率則趨近於100%；反之，當雜訊能量越大則信號判讀正確率則越來越小。
訊號能量大小，取決於源頭發射訊號能量大小與傳輸通道的損耗。而線材損耗則是通道損耗的主要來源。
線材損耗可以分為回波損耗 (Return Loss) 與插入損耗 (Insertion Loss) 兩種。
回波損耗是因傳輸通道或介面阻抗不匹配而被反射回源端的能量大小。如線材、連接器或 PCB 走線的阻抗未能（如 50Ω、75Ω、100Ω）未能匹配一致時，訊號能量的一部分將反射回去，使得反射波與原始波疊加造成原始訊號失真。另外反射訊號會在不同時間疊加到訊號上，使得訊號波形有了抖動與延遲。這些現象都導致了訊號完整性變差，眼圖閉合 (圖二)，影響接收端判斷。
RL(dB) = -20 log10(|Γ|) where Γ is Reflection Coefficient
Γ = (ZL – Z0) / (ZL + Z0), where ZL is the load impedance, and Z0 is the system's characteristic impedance.
當ZL與Z0差異越大時，其反射係數越大，則回波損耗越大；反之，ZL與Z0差異越小時或是ZL匹配於Z0時，其反射係數越小，則回波損耗越小。
(圖二) 阻抗匹配眼圖 V.S. 阻抗不匹配之眼圖
特性阻抗控制與匹配為減少回波損耗主要方式。圖三為一連接線纜的阻抗分佈曲線圖。高速連接器與高速線纜製造業者不斷提升製造品質與穩定度，以控制阻抗使其阻抗變化趨於和緩。屏蔽雙絞線材的幾何結構決定了線材的特性阻抗，其幾何結構包含了導體間距、對絞絞距、等效介電常數及屏蔽層等。
(圖三) 阻抗分佈曲線圖
而最後一哩路為線纜組裝製造商，其剝線、理線與焊線製程 (如圖三的Cable Management區域) 即為破壞線材的幾何結構，如圖四將屏蔽層剝除。而且傳統加工製程多為人工搭配簡易工具作業，加工公差無精準管控，造成阻抗變化劇烈。
COMOSS 累積多年經驗發展出自働化，人機協作模式搭配精加工的治具輔助，最小化圖四屏蔽層剝除長度 d，並確保公差值在穩定控制範圍內。除了尺寸的控制外，亦選用較高介電常數 (Dielectric Constant) 的材質包覆於線材加工區，降低高阻抗曲線 (圖五)。因而控制阻抗值穩定在一定範圍內，而減少回波損耗。
(圖四) 屏蔽層剝除長度
(圖五) 阻抗分佈曲線圖 V.S. 不同Dk 材料
插入損耗是因導體電阻、介質損耗、輻射與不連續結構等因素造成訊號能量衰減。其損耗主要來自於線材。
導體電阻造成的損耗主要是高頻訊號的集膚效應 (Skin Effect)，因為大部分電流集中於導體表面，所以導體表面的導電性與表面粗糙度就會影響其損耗程度。因此導體的電鍍材質與電鍍工藝即扮演重要的關鍵。目前常以鍍銀銅來減少導體衰減。另外導體股數 (圖六) 亦會影響損耗。在相同導體 AWG 規格其股數越多則導體 Flexibility 越好，但其高頻訊號損耗越大。所以導體 Flexibility 與訊號損耗為一權衡的問題。
(圖六) 體股數與Flexibility 關係
至於介質損耗問題，解決方式就比較單一為選擇低損耗、低耗散因子(Df)的絕緣材料。
在線材應用中，干擾 (Interference) 扮演雜訊的角色，亦是造成訊號完整性下降的因素之一，特別是在高速傳輸、工業環境、機器視覺系統中更為嚴重。常見干擾源為外部設備電磁干擾，如馬達、變頻器、電源模組或其他高頻設備。或是外部環境的脈衝干擾，如雷擊或靜電放電。
高速線材結構，除了差動訊號對採用屏蔽對絞結構 ( Shielding Twisted Pair)，線纜總體結構也需要屏蔽來抵禦外部設備與環境的訊號干擾。其屏蔽可以為鋁箔屏蔽與金屬銅線構成屏蔽。而金屬銅屏蔽又有較為柔軟的纏繞 (Spiral) 樣式與結構緊密不容易鬆散的編織 (Braid) 樣式。(圖七)
鋁箔屏蔽與金屬銅線屏蔽經常一起使用，使線材兼顧全頻段干擾抑制。
(圖七) 屏蔽結構
另外常見的干擾源為線纜內部的串音，線纜內部因為同時傳輸不同的訊號且多條導體彼此靠近，這時不同電磁場互相干擾與耦合。差動訊號對的屏蔽與線纜屏蔽方式一樣，除了有鋁箔屏蔽也可以增加金屬編織屏蔽，來降低不同訊號對間的串音。
線纜屏蔽結構為線材抗干擾第一步，再來則是線材組裝時的接地 (Grounding) 與屏蔽的完整性。屏蔽結構主要是阻檔雜訊於屏蔽層上，不耦合到訊號上影響訊號完整性。而接地是建立雜訊宣洩的路徑，將雜訊能量排除。如果屏蔽接地不佳或是沒有接地 (稱為屏蔽浮接floating)，則雜訊能量就會以輻射方式逸散，就可能影響到自身訊號或是其它設備。另外就是屏蔽的完整性 (圖八)，頻率越高的訊號越能從細小縫隙幅射出去。一般縫隙要小於 1/10 波長才能避免訊號幅射。所以線材加工時的完整屏蔽對於抗干擾相當重要。
(圖八) 屏蔽完整性
除了訊號能量的損耗與內外部干擾外，還有訊號間傳遞延遲不一致 (Skew) 也是常見影響訊號完整性的問題。Skew 指的是同一對差動訊號線 (Intra Pair Skew) 或不同對訊號間 (Inter Pair Skew) 傳輸延遲不一致。
例如：在差動對訊號 (Differential Pair) 中，正 (D+) 與負 (D–) 若傳輸時間不同步，會導致訊號在接收端無法完整抵消雜訊，產生誤碼。
Skew 產生主要原因是線長不一致，如對絞線的絞距不同，或是線材絞合時兩線的放線張力不同。這些線纜製程都可能會產生對絞對線長不一致。因此再更高速傳輸 (對訊號完整性要求更高) 應用下，線材結構由雙絞線 (Twisted Pair)，改用同軸線 (Coaxial) 或是雙軸線 (Twinax) 結構。
(圖九) 高速線線材結構
結論
現今的機器視覺相機已不再是低畫質、低速率的裝置。隨著解析度與幀率的提升，數據量呈指數級增長。龐大的資料必須在極短時間內，經由線材傳輸至處理單元。若線材無法支援高速傳輸，將造成影像延遲、掉幀、甚至數據錯誤，進而影響檢測精度與生產效率。這正是高速線材品質的重要性所在。本文說明了常見影響線材高頻原因及對應解決方式，以其對於各位未來應用有所幫助。
參考資料: VESA DisplayPort (DP) Standard Version 1.4
本文刊載於: 日本雜誌《画像ラボ》11月號