一、工業(yè)相機(jī)
工業(yè)相機(jī)或者稱為工業(yè)攝像頭，是為了與民用和交通用的相機(jī)（攝像頭）區(qū)分而取名。工業(yè)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在具有非常高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力并且適用于7*24小時(shí)的不間斷工業(yè)工作環(huán)境。工業(yè)相機(jī)的出現(xiàn)不僅提高了工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量、提高工廠生產(chǎn)效益，還降低了勞動力成本。
早期的的工業(yè)相機(jī)所采用的圖像傳感器為CCD（Charge Coupled Device），它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。一個(gè)完整的CCD相機(jī)主要有光學(xué)微透鏡、時(shí)序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬和數(shù)字信號處理電路等組成。早期的CCD相機(jī)具有成像品質(zhì)高，圖像穩(wěn)定，彩色還原度高等優(yōu)點(diǎn)。CCD相機(jī)的缺點(diǎn)也非常的明顯，主要表現(xiàn)為像元無法做到很小，功耗比較大。CCD傳感器的缺點(diǎn)導(dǎo)致其無法拓展**的像素分辨率。
為了解決CCD相機(jī)自身缺陷，科學(xué)家開發(fā)了基于CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技術(shù)的圖像傳感器。隨著超大規(guī)模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點(diǎn)在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應(yīng)用。CMOS圖像傳感器**的成像性能也最終導(dǎo)致了很多大廠停產(chǎn)了CCD圖像傳感器，轉(zhuǎn)而大規(guī)模生產(chǎn)基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器。
二、線陣相機(jī)
線陣相機(jī)是工業(yè)相機(jī)的一種，顧名思義就是只有一行或者只有幾行（最多256行）但是又有很多列像素的相機(jī)。
例如我們經(jīng)常使用的2K線陣相機(jī)，其分辨率為2048*1像素，像素排布為行數(shù)為1行，列數(shù)為2048列，像元布局圖如下：
線陣傳感器示意圖
三、線陣相機(jī)的分類
線陣相機(jī)按照像素列數(shù)主要分為2K、4K、6K、8K、9K、12K、16K、18K等分辨率相機(jī)。
按照顏色分為彩色線陣相機(jī)和黑白線陣相機(jī)。
按照線陣相機(jī)的行數(shù)多少主要分為單線線陣相機(jī)和TDI（Time Delay Integration）線陣相機(jī)，其中TDI相機(jī)主要適用于高速移動的物體或者反射率低的樣品。
四、線陣相機(jī)主要參數(shù)
1）線陣相機(jī)分辨率，圖像傳感器上像元的個(gè)數(shù)，以長×寬的方式表示，例如2K相機(jī)的分辨率為2048*1。
2) 行頻，表示每秒鐘線陣相機(jī)可以采集最大的行數(shù)。
比如像素為8192*1， 行頻為16KHz, 那么此這個(gè)線陣相機(jī)每秒可以采集的最大圖像分辨率為8192*16000。
3）像元大小，線陣相機(jī)的主流像元為14μm、7μm、5μm、3.5μm等，不同的像元大小感光率會有差異。像元越大，圖像傳感器的感光靈敏度**，動態(tài)范圍也越大。在微光環(huán)境下，可以優(yōu)先選擇像元大的線陣相機(jī)。
4）像元數(shù)據(jù)格式，主要有8bit、10bit、12bit的等數(shù)據(jù)格式。
5）相機(jī)曝光，相機(jī)的曝光設(shè)置范圍。其中包含最小的曝光值，以及可以設(shè)置的曝光數(shù)值區(qū)間，其中最大的曝光數(shù)值為行頻的倒數(shù)。如行頻設(shè)置為10000Hz，那么最大曝光時(shí)間為1/10000秒，也就是最大曝光時(shí)間只能設(shè)置到100μs。
五、線陣相機(jī)工作方式
線陣相機(jī)在工作時(shí)需要保證被拍攝樣品和線陣相機(jī)相對運(yùn)動，這樣才能采集到一幅完整清晰的圖像。線陣相機(jī)通過內(nèi)部觸發(fā)的方式或者編碼器信號觸發(fā)的方式，觸發(fā)相機(jī)采集一行的圖像數(shù)據(jù)，多行的圖像數(shù)據(jù)最后組成完整的一幀圖像，如下圖所示：
六、如何選擇基于線陣相機(jī)的視覺系統(tǒng)
線陣相機(jī)的選擇取決于傳感器尺寸和線速度（也稱作行頻）
首先確認(rèn)線陣相機(jī)的分辨率也就是線陣傳感器的尺寸，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，瑕疵或者目標(biāo)物分辨需要2.5個(gè)像素。例如:FOV = 300mm，最小檢測尺寸為0.12mm。那么最少像素個(gè)數(shù)=FOV/最小檢測尺寸，該例子中需要的分辨率為(300/0.12)*2.5=6250pixels。因此需要選擇8K分辨率相機(jī)，當(dāng)然也可以選擇2個(gè)4K分辨率相機(jī)。
其次需要確認(rèn)線陣相機(jī)的行頻，其中需要知道三個(gè)已知量，分別為圖像像素尺寸和產(chǎn)品線速度。例如：視野300mm，速度500mm/s，所用相機(jī)為8K相機(jī)，由此計(jì)算圖像的像素尺寸=FOV/傳感器分辨率，即300/8192=0.037mm/pixels。需要的最低行頻為500/0.037=13653Hz。
使用線陣相機(jī)時(shí)需要注意平臺運(yùn)動速度和相機(jī)采集速度的匹配，如果不匹配會導(dǎo)致圖像的拉伸和壓縮，如下圖所示：
七、基于線陣相機(jī)視覺系統(tǒng)組成
基于線陣相機(jī)的視覺系統(tǒng)除了控制和分析的主機(jī)系統(tǒng)及固定用的機(jī)械機(jī)構(gòu)外，主要分為視覺和運(yùn)動控制兩大部分。
視覺部分主要組件主要包括：線陣相機(jī)（Line scan camera），工業(yè)鏡頭（Lens），線陣光源（light），圖像采集卡（Frame grabber）。
線陣相機(jī)
工業(yè)鏡頭
圖像采集卡
數(shù)據(jù)線纜
運(yùn)動控制部分主要包括：馬達(dá)，馬達(dá)驅(qū)動器，旋轉(zhuǎn)編碼器，運(yùn)動控制卡或PLC，還有觸發(fā)用的光電傳感器等。
八、線陣相機(jī)使用案例
傳統(tǒng)上，線陣相機(jī)視覺系統(tǒng)主要用于造紙業(yè)、印刷業(yè)、鋼鐵以及玻璃制造行業(yè)等。其主要視覺配置如下圖所示：
線陣相機(jī)可以用來做瓶體標(biāo)簽的缺陷檢測，如下圖所示：
隨著液晶行業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，線陣相機(jī)也越來越多的用在液晶面板和半導(dǎo)體晶圓的缺陷檢測和尺寸測量等。
參考文獻(xiàn)：《線陣相機(jī)的原理和應(yīng)用》
