Все, что вам нужно знать о камерах с линейной разверткой |

Линейные камеры — это специализированные устройства визуализации, предназначенные для получения изображений с высоким разрешением движущихся или непрерывных объектов. В отличие от традиционных камер с линейной разверткой, которые получают двумерное изображение за один раз, линейные камеры создают изображения построчно, что идеально подходит для таких задач, как проверка веб-страниц, анализ полупроводников и проверка упаковки.

Эти камеры обычно имеют один ряд пикселей (иногда несколько рядов), и в сочетании с движущимся объектом или системой сканирования они могут создавать высококачественные двумерные изображения объектов практически любой длины. В зависимости от типа матрицы, камеры с линейной разверткой обычно используют технологию ПЗС- или КМОП-матрицы, аналогичную используемой во многих камерах.КМОП-камеры— причем КМОП становится предпочтительным выбором из-за своей скорости и энергоэффективности.

Что такое камера линейного сканирования?

Камеры со строчной разверткой обычно оптимизированы для промышленного, а не научного применения и могут иметь ограничения в условиях низкой освещённости или при сверхточных измерениях. Высокий уровень шума считывания, малый размер пикселов и, как правило, низкая квантовая эффективность могут означать, что таким камерам требуется высокая освещённость для обеспечения приемлемого отношения сигнал/шум.

Линейные камеры можно использовать двумя основными способами:

1-мерный захват

Одномерную информацию можно получить, например, в спектроскопических приложениях. Результаты часто представляются в виде графика в программном обеспечении камеры, где интенсивность откладывается по оси Y, а количество пикселей камеры — по оси X.

2-мерный захват

Камеру можно «сканировать» по объекту съемки, перемещая либо камеру, либо объект съемки, а двумерное изображение можно сформировать, захватывая последовательные одномерные срезы.

Этот вид визуализации позволяет получать изображения произвольного размера в измерении сканирования. Возможность снимать движущиеся объекты без размытия (или артефактов «скользящего затвора») позволяет широко использовать камеры со строчной разверткой в промышленных приложениях, на сборочных линиях, для контроля крупногабаритных объектов и в других областях.

Как работает камера линейного сканирования?

Камера со линейной разверткой работает согласованно с движущимся объектом или сканирующим механизмом. При прохождении объекта под камерой каждая строка изображения последовательно захватывается во времени. Затем эти строки объединяются в режиме реального времени или с помощью программного обеспечения для создания полноценного двухмерного изображения.

Ключевые компоненты включают в себя:

● 1-мерный датчик: Обычно это один ряд пикселей.
● Управление движением: Конвейер или вращающийся механизм обеспечивает равномерное движение.
● Освещение: Часто используется линейное или коаксиальное освещение для равномерного освещения.

Поскольку изображение строится построчно, синхронизация критически важна. Если объект движется неравномерно или синхронизация нарушена, изображение может искажаться.

Камеры с линейным и зональным сканированием

Особенность	Линейная камера	Камера сканирования области
Захват изображения	По одной строке за раз	Полный 2D-кадр за раз
Идеальное использование	Движущиеся или непрерывные объекты	Стационарные или моментальные сцены
Размер изображения	Практически неограниченная длина	Ограничено размером сенсора
Интеграция	Требуется контроль движения и времени	Более простая настройка
Типичные применения	Проверка веб-страниц, печать, текстиль	Сканирование штрихкодов, робототехника, общая визуализация

Короче говоря, камеры с линейным сканированием отлично подходят для съёмки быстро движущихся или очень крупных объектов. Камеры с зонным сканированием лучше подходят для съёмки статичных или небольших объектов.

Основные характеристики камер линейного сканирования

При выборе камеры линейного сканирования обратите внимание на следующие характеристики:

● Разрешение: Количество пикселей в строке, влияющее на уровень детализации.
● Частота линии (Гц): Количество линий, сканируемых в секунду, имеет решающее значение для высокоскоростных проверок.
● Тип датчика: КМОП (быстрая, с низким энергопотреблением) против ПЗС (более высокое качество изображения в некоторых случаях).
● Интерфейс: Варианты передачи данных, такие как GigE, Camera Link или CoaXPress.
● Динамический диапазон и чувствительность: Важно для осмотра объектов с переменной яркостью или отражательной способностью.
● Цвет против монохрома: Цветные камеры используют несколько рядов с RGB-фильтрами; монохромные камеры могут обеспечивать более высокую чувствительность.

Плюсы и минусы камер с линейным сканированием

Плюсы

Может захватывать одномерную информацию с очень высокой скоростью (обычно измеряемой сотнями кГц). Может захватывать двумерные изображения произвольного размера с высокой скоростью при сканировании объекта съемки.

Может захватывать цветовую информацию без ущерба для разрешения за счет использования отдельных строк с красным, зеленым и синим фильтрами, или специальные камеры могут предлагать определенную фильтрацию длин волн.

Освещение должно быть только одномерным и, в зависимости от настройки визуализации, может не требовать коррекции плоского поля или других коррекций во втором (сканированном) измерении.

Минусы

Для получения двумерных данных требуются специальные аппаратные и программные настройки.

Обычно не очень хорошо подходит для получения изображений при слабом освещении из-за низкой квантовой эффективности, высокого уровня шума и малых размеров пикселей, особенно в сочетании с коротким временем экспозиции, типичным для высокоскоростного сканирования.

Обычно не предназначен для научной визуализации, поэтому линейность и качество изображения могут быть низкими.

Распространенные применения линейных камер в научной сфере

Линейные камеры широко используются в научных исследованиях и сложных приложениях визуализации, требующих высокого разрешения, точности и непрерывного сбора данных. Типичные области применения:

● Микроскопическая визуализация: Получение линейного сканирования высокого разрешения для детального анализа поверхности или клеток.
● Спектроскопия: Регистрация спектральных данных по образцам с точным пространственным разрешением.
● Астрономия: Визуализация небесных объектов или отслеживание быстро движущихся целей с минимальными искажениями.
● Материаловедение: Контроль поверхности и обнаружение дефектов в металлах, полимерах или композитах.
● Биомедицинская визуализация: Сканирование биологических тканей в диагностических или исследовательских целях, включая гистологию и патологию.

Эти приложения используют возможности линейно-сканирующей камеры для создания высокодетализированных изображений без искажений на обширных территориях или в динамических экспериментальных установках.

Ограничения камер линейного сканирования

Принципиальная схема: высокочувствительная научная камера Tucsen Line Scan/TDI

Левый: Неохлаждаемая камера сканирования области

Середина: Научная камера TDI

Верно: Охлаждаемая камера сканирования

Хотя камеры с линейной разверткой обеспечивают превосходное разрешение и хорошо подходят для непрерывной съемки, у них есть ограничения, особенно в сложных научных условиях, где чувствительность и стабильность сигнала имеют решающее значение.

Одним из основных ограничений является их производительность в условиях низкой освещённости. Традиционные камеры с линейным сканированием используют однопроходную экспозицию, что может не обеспечивать достаточного соотношения сигнал/шум (SNR) при визуализации слабо освещённых или светочувствительных образцов, например, во флуоресцентной микроскопии или некоторых биомедицинских исследованиях. Кроме того, достижение точной синхронизации движения объекта и получения изображения может быть технически сложной задачей, особенно в системах с переменной скоростью или вибрацией.

Еще одним ограничением является их ограниченная способность делать высококачественные снимки очень медленно движущихся или неравномерно освещенных образцов, что может привести к неравномерной экспозиции или артефактам движения.

Для решения этих задач в качестве мощной альтернативы появились камеры с временной задержкой (TDI). Накапливая сигнал с нескольких экспозиций по мере движения объекта, камеры TDI значительно повышают чувствительность и качество изображения, что делает их особенно ценными в научных областях, требующих получения изображений при сверхнизкой освещенности, широкого динамического диапазона и точного временного разрешения.

Заключение

Линейные камеры — незаменимый инструмент в отраслях, где требуется высокоскоростная и высококачественная визуализация движущихся или непрерывных поверхностей. Их уникальный метод сканирования обеспечивает существенные преимущества по сравнению с камерами с зонным сканированием в соответствующих сценариях, особенно в таких областях применения, как контроль рулонных материалов, визуализация полупроводников и автоматизированная упаковка.

Хотя камеры с линейной разверткой в основном используются в промышленных условиях, пользователи, которым требуется высокая чувствительность или работа в условиях низкой освещенности, могут извлечь выгоду из изучениянаучные камерыпредназначен для точной визуализации.

Понимание того, как работают камеры линейного сканирования и на что обращать внимание при их выборе, поможет вам разработать более интеллектуальные и надежные системы контроля.

Часто задаваемые вопросы

Как линейная камера захватывает цветные изображения?

Цветные линейные камеры обычно используют трилинейные датчики, содержащие три параллельные линии пикселей, каждая из которых имеет красный, зелёный или синий фильтр. При движении объекта мимо датчика каждая цветовая линия последовательно захватывает соответствующий канал. Затем эти данные объединяются для формирования полноцветного изображения. Точная синхронизация крайне важна для предотвращения рассогласования цветов, особенно на высоких скоростях.

Как правильно выбрать камеру линейного сканирования

Выбор подходящей камеры зависит от требований вашего проекта. Вот несколько ключевых факторов, которые следует учитывать:

● Требования к скорости: Определите необходимую вам скорость линии на основе скорости объекта.
● Потребности в разрешении: Подберите разрешение в соответствии с допусками вашего контроля.
● Освещение и окружающая среда: Рассмотрите возможность специального освещения для отражающих или темных поверхностей.
● Тип датчика: Технология КМОП стала общепринятой благодаря своей скорости и эффективности, в то время как ПЗС продолжают использоваться в устаревших и высокоточных системах.
● Связь: Убедитесь, что ваша система поддерживает интерфейс камеры (например, CoaXPress для высоких скоростей передачи данных).
● Бюджет: Баланс производительности и стоимости системы, включая освещение, оптику и устройства захвата кадров.

В случае сомнений проконсультируйтесь со специалистом или поставщиком систем машинного зрения, чтобы убедиться в их совместимости с конструкцией вашей системы и целями ее применения.

Сколько строк имеет монохромная линейная камера?

Стандартная монохромная камера со линейной разверткой обычно имеет одну линию пикселей, но некоторые модели оснащены двумя или более параллельными линиями. Такие многолинейные датчики могут использоваться для улучшения качества изображения за счёт усреднения нескольких экспозиций, повышения чувствительности или съёмки под разными углами освещения.

В то время как однолинейные камеры достаточны для большинства высокоскоростных проверок, двух- и четырехлинейные версии обеспечивают лучшую производительность в сложных условиях, особенно там, где требуется низкий уровень шума или широкий динамический диапазон.

Дополнительную информацию о технологии линейного сканирования в приложениях визуализации с ограниченной освещенностью можно найти в нашей статье:

Ускорение получения изображений в условиях ограниченной освещенности с помощью линейно-сканирующей TDI-визуализации

Почему технология TDI набирает популярность в промышленной визуализации