關於線掃描相機，您需要了解的一切

線掃描相機是一種專門用於拍攝運動或連續物體高解析度影像的成像設備。與傳統的臉部掃描相機單次曝光即可拍攝二維影像不同，線掃描相機逐行建立影像，非常適合捲材偵測、半導體分析和包裝驗證等應用。

這些相機通常採用單行（有時是多行）像素，當與移動物體或掃描系統結合使用時，它們可以產生幾乎任意長度物體的高品質二維影像。根據感測器類型的不同，線掃描相機通常使用CCD或CMOS感測器技術—類似於許多相機中使用的感測器技術。CMOS相機—由於CMOS具有速度快、能效高的優點，因此成為首選。

什麼是線掃描相機？

線掃描相機通常針對工業應用而非科學應用進行了最佳化，在低光照或超高精度應用中可能存在局限性。較高的讀出雜訊、較小的像素尺寸以及通常較低的量子效率意味著這些相機需要較高的光照強度才能獲得可用的信噪比。

線掃描相機主要有兩種用途：

一維捕捉

可以採集一維訊息，例如在光譜學應用中。結果通常以圖表形式呈現在相機軟體中，y 軸表示強度，x 軸表示相機像素。

二維捕捉

透過移動相機或成像對象，可以對成像對象進行“掃描”，並透過捕捉連續的一維切片來形成二維影像。

這種成像方式可在掃描方向上捕捉任意大尺寸的影像。由於能夠捕捉運動中的物體而不會產生運動模糊（或捲簾快門偽影），線掃描相機在工業應用中非常普遍，例如裝配線、大型成像物體的檢測等等。

線掃描相機的工作原理是什麼？

線掃描相機與移動物體或掃描機構協同工作。當物體經過相機下方時，影像的每一行都會依時間順序被擷取。然後，這些線條會即時或透過軟體組合，產生完整的二維影像。

主要組成部分包括：

● 一維感測器通常是一行像素。
● 運動控制傳送帶或旋轉機構確保均勻移動。
● 照明通常採用線型或同軸照明以獲得一致的照明效果。

由於圖像是逐行構建的，因此同步至關重要。如果物體運動不一致或時間錯亂，就會出現影像失真。

線掃描相機與面掃描相機

特徵	線掃描相機	臉部掃描相機
影像擷取	一行一行地來	一次顯示完整的2D畫面
理想用途	移動或連續的物體	靜止或快照場景
圖片尺寸	長度幾乎不受限制。	受感測器尺寸限制
一體化	需要運動和時間控制	設定更簡單
典型應用	網路偵測、印刷、紡織品	條碼掃描、機器人技術、通用影像

簡而言之，線掃描相機在拍攝快速移動或體積非常大的物體時表現出色。臉部掃描相機則較適合拍攝靜止或體積較小的目標。

線掃描相機的主要特點

選擇線掃描相機時，請考慮以下規格：

● 決議：每行像素數，影響細節等級。
● 線路速率 (Hz)每秒捕獲的行數－對於高速偵測至關重要。
● 感測器類型CMOS（速度快、功耗低）與 CCD（某些情況下影像品質較高）的比較。
● 介面資料傳輸選項，例如 GigE、Camera Link 或 CoaXPress。
● 動態範圍和靈敏度：對於檢查亮度或反射率變化較大的物體非常重要。
●彩色與單色彩色相機使用多排 RGB 濾鏡；單色相機可能提供更高的靈敏度。

線掃描相機的優點和缺點

優點

能夠以極高的速度（通常以數百千赫茲的線速率衡量）採集一維資訊。在掃描成像物件時，能夠高速擷取任意尺寸的二維影像。

透過使用單獨的紅色、綠色和藍色濾光片行，可以在不犧牲解析度的情況下捕捉顏色資訊；或者，客製化相機可以提供特定的波長過濾。

照明只需要是一維的，並且根據成像設置，可能不需要在第二個（掃描的）維度上進行平場或其他校正。

缺點

取得二維資料需要專門的硬體和軟體設備。

由於量子效率低、雜訊高、像素尺寸小，通常較不適合低光成像，尤其是在高速掃描典型的短曝光時間下。

通常不適用於科學成像，因此線性度和影像品質可能較差。

線掃描相機在科學領域的常見應用

線掃描相機廣泛應用於對解析度、精度和連續資料擷取要求較高的科學研究和高階影像應用。典型應用包括：

● 顯微成像：採集高解析度線掃描影像，用於詳細的表面或細胞分析。
● 光譜學：以精確的空間分辨率記錄樣本的光譜數據。
● 天文學：對天體進行成像或追蹤快速移動的目標，畸變最小。
● 材料科學金屬、聚合物或複合材料的表面檢測和缺陷檢測。
● 生物醫學影像：掃描生物組織以進行診斷或研究，包括組織學和病理學檢查。

這些應用受益於線掃描相機能夠在廣闊的區域或動態實驗裝置中產生高度精細、無失真的影像。

線掃描相機的局限性

原理圖：Tucsen高靈敏度線掃描/TDI科學相機

左圖：非製冷面掃描相機

中：TDI 科學相機

右圖：冷卻區域掃描相機

雖然線掃描相機具有出色的分辨率，非常適合連續成像，但它們也存在局限性，尤其是在靈敏度和信號穩定性至關重要的先進科學環境中。

一個主要的限制在於其在低光照條件下的表現。傳統的線掃描相機依賴單次曝光，這在對低光源或光敏樣品（例如螢光顯微鏡或某些生物醫學檢測中的樣品）成像時，可能無法提供足夠的信噪比 (SNR)。此外，實現物體運動和影像擷取之間的精確同步在技術上可能具有挑戰性，尤其是在涉及變速或振動的裝置中。

另一個限制是它們捕捉移動非常緩慢或光照不均勻的標本的高品質影像的能力有限，這可能會導致曝光不一致或運動偽影。

為了克服這些挑戰，TDI（時間延遲積分）相機應運而生，成為強而有力的替代方案。 TDI相機透過在物體運動過程中多次曝光累積訊號，顯著提高了靈敏度和影像質量，使其在需要超低光成像、高動態範圍或精確時間解析度的科學領域中尤為重要。

結論

在需要對運動或連續表面進行高速、高解析度成像的行業中，線掃描相機是不可或缺的工具。其獨特的掃描方式在適當的應用情境下，相較於掃描相機具有顯著優勢，尤其適用於捲材檢測、半導體成像和自動化包裝等應用。

雖然線掃描相機主要用於工業環境，但需要高靈敏度或低光照性能的使用者也可以探索一下。科學相機專為精密成像應用而設計。

了解線掃描相機的工作原理以及選擇線掃描相機時需要考慮的因素，將有助於您設計更智慧、更可靠的偵測系統。

常見問題解答

線掃描相機如何捕捉彩色影像？

彩色線掃描相機通常使用三線感測器，其中包含三條平行的像素線，每條像素線分別帶有紅色、綠色或藍色濾光片。當物體經過感測器時，每條彩色像素線依序捕捉其對應的通道。然後將這些像素組合起來，形成一幅全彩影像。精確的同步對於避免色彩錯位至關重要，尤其是在高速運動的情況下。

如何選擇合適的線掃描相機

選擇合適的攝影機取決於您的應用需求。以下是一些需要考慮的關鍵因素：

● 速度需求根據物體速度決定所需的生產線速率。
● 解決方案需求：使解析度與您的檢測公差相符。
● 照明和環境考慮對反光或深色表面進行特殊照明。
● 感測器類型CMOS 因其速度和效率而成為主流，而 CCD 仍用於傳統和對精度要求極高的系統。
● 連接性確保您的系統支援相機的介面（例如，CoaXPress 用於高資料速率）。
● 預算：在性能和系統成本之間取得平衡，包括照明、光學元件和影像擷取卡。

如有疑問，請諮詢機器視覺專家或供應商，以確保與您的系統設計和應用目標相容。