线扫相机 彩色线扫描相机技术的发展历程

图2：基于棱镜的传感器架构。

随后，彩色成像技术进一步发展，达到更强大的水平。之后一代的相机是三线CCD彩色相机，其具有更快的线速度，而价格却只有原来版本的1/3左右，因此受到了印刷、包装、食品、制药、电子、棉花及web等应用的广泛青睐。这些进步是通过一种不同的传感器架构来实现的。在这种传感器架构中，同一芯片上制作有三条像素线，每条线分别覆盖红色、绿色和蓝色（见图3）。

图3：三线传感器架构。

三线相机技术面临的一项挑战是三种颜色的分离，因为三线传感器上的颜色线不共用一个共同的光轴。这导致三条不同颜色线的三个单独的对象点。因此，彩色图像沿着扫描方向出现错位。现在，三线相机通过一种称为空间校正的技术来处理颜色分离。空间校正技术允许用户输入适当的参数来重新对齐彩色图像。

除了空间校正技术外，这一代三线相机还包括更多的辅助功能，以适应用户需求，并推动一些机器视觉应用使用彩色成像。有些功能允许用户微调每个像素对入射光线的反应，可以将一个用户设置上传到多台相机，使设置更加容易。一些相机包含有色彩校正功能，几乎实现真彩色图像。这项功能特别适用于那些需要极高质量彩色图像的应用，如钞票检验或高质量包装检测。

速度更快、成本更低的CMOS相机

在用于彩色检测的相机发展历程中，接下来的一个重大飞跃是基于CMOS的三线式相机。这些CMOS相机建立在前几代相机发展的基础之上，不但性能有了显著的提升，而且价格更低。

这些相机的速度高达70kHz，比前几代相机平均约17kHz的速度大幅提升。这一代相机中还包括了改进的空间校正技术，能够实现精度达亚像素级别的精确校正，同时还具有水平色散校正（有时也称为视差校正）功能。

视差校正功能允许用户以一定角度安装相机（传感器表面不垂直于物体表面），但仍能获得非色散彩色图像。一些用户利用这个功能来操作一台相机来代替两台相机。

例如，香烟包装的机器视觉检查需要检查包装的彩色印刷和凹凸形状。过去，完成这项任务需要两台不同的相机，但是随着技术的进步，用户以一定角度安装一台相机，便能完成这两项检查任务。

目前的彩色线扫描相机技术

由于曝光时间短，在许多情况下，高速检测对照明的要求非常高。这类应用需要响应速度极快的相机，而单线彩色三线相机可能无法执行这类任务。

为了满足这种应用需求，机器视觉行业已经开发出了采用TDI（时间延迟积分）技术的CMOS相机，例如加拿大Teledyne DALSA公司最近推出的PiranhaXL彩色线扫描相机，就采用了TDI彩色传感器（见图4）。

图4：Piranha XL TDI彩色线扫描传感器架构及其工作原理。

Piranha XL相机为每色四线，响应度比每色单线相机高四倍，并且噪声极低。像这样的16K相机，最大线速度为70kHz，最大吞吐量为3.5GB/s，所以它们需要数据转移功能，如果需要的话，相机可以同时向多台主机分配数据。

这些相机还需要高速数据传输以跟上高速数据处理。Piranha XL相机中包含最近开发的高速数据传输协议CameraLink HS，以提高数据传输速度。

彩色成像技术的演进

一些应用可能需要彩色成像，但不一定是真彩色成像。例如在诸如制药、安全、电子和食品等行业的应用中，使用不同颜色成像的主要考虑是区分物体的不同特征。在这些情况下，低成本的双线彩色相机是一种经济有效的解决方案。第三种颜色可以从具有双线架构的相机中的相邻像素插值得到（见图5）。

图5：双线传感器架构，第三种颜色通过插值得到。

在检测汽车底盘的安全应用中（见图6），所使用的双线相机架构提供的彩色图像，并不完全是我们用肉眼能看见的，但是它确实提供了足够的对比度来查看各种底盘特征。

四线相机和彩色成像技术的未来发展

四线相机可以将彩色视觉与其他技术配对，以呈现人眼或单色相机不可见的物体特征。对于物体中含有一些不可见光谱成分的应用场合，如太阳能电池板、钞票和玻璃检测，这些相机将凸显出其强大功能。

彩色线扫描相机也可以用作多通道单色线扫描相机。这是使用彩色相机的一种聪明方法。例如，假设有三个缺陷项目，需要识别划痕、灰尘和Mura缺陷，这些缺陷分别在红光、绿光和蓝光下可见。

因此，需要将红光、绿光和蓝光同时照射到物体上，并分别处理红色、绿色和蓝色通道的图像。一些彩色线扫描相机可以独立控制每个通道的曝光时间，用户能够用它们来捕捉高动态范围的单色图像。这是一种彩色相机作为单色相机的应用案例，这些应用需要较高的色彩纯度。

目前的三线相机的彩色滤光片基于染料或色素，并且在色彩通道之间存在光谱串扰。红光、绿光和蓝光或多或少地会混合在一起。为了应对这一挑战，业界正在开发一种具有最小串扰的新型二向色滤光片。一旦该技术付诸使用，对彩色相机用作单色应用将非常有益。

结论

在过去的二十年中，在传感器、分辨率、速度、接口和多通道技术的进步中，其中速度的发展是最大的。目前的彩色相机比二十年前的产品至少快七倍。市场对彩色成像的需求正在不断增加，毫无疑问这将推动未来有更快、更便宜的彩色线扫描相机进入市场。

文/Jake Liu，Teledyne DALSA公司

（原文在英文版2017-10月刊）返回搜狐，查看更多