线扫成像的照明考虑.pdfVIP

如果你曾在机器视觉领域工作过，你可能会使用过面阵相机，并可能知道在某些情况

下需要使用线扫相机。你的脑海中可能已经形成了这样的印象：线扫成像需要强度极

高的光源。本文通过比较线扫相机和面阵相机的照明情况，来更全面地了解线扫成像

的照明要求，从而能够对“何时该使用线扫成像”做出更好的抉择。

面阵和线扫图像传感器/相机

面阵相机广泛应用于摄影、电视、网络摄像头等众多成像场合，因此来自面阵相机的

图像也较为常见。面阵相机由具有一定行数和列数的二维像素（感光单元）阵列组成

（见图1）。

图1：面阵相机中的二维像素阵列。

行和列形成的像素范围通常由两者的乘积确定，并以百万像素（MP，MPixels）来表示，

常见的像素范围从0.3MP（640×480像素）到20MP（5472×3648像素），也可高达150MP

（14204×10652像素），但成本极高。线扫相机的图像仅由一行像素组成（见图2）。

这一行中的像素数通常在2048到32768之间。对于线扫相机而言，通常是通过移动相

机下方的零件或移动零件上方的相机，来创建二维图像。

图2：线扫相机中的像素阵列。

如果零件处于连续运动状态，那么线扫相机则是比单个面阵相机或多面阵相机更简单、

成本更低的选择。例如，要在1m宽的卷状物（web）上找出0.5mm的缺陷，如果每

个缺陷需要四个像素覆盖来实现可靠检测，则需要8000个像素才能覆盖整个web幅

面。线扫成像只需要一台相机就能满足这一要求，而面阵成像则需要多台相机，并且

需要图像拼接。

对于固定的零件，如果需要超过5000个像素来涵盖整个零件的话，使用线扫相机和运

动控制相结合，使相机在零件上方移动，可能比使用一个或多个面阵相机更为经济。

照明要求比较

谈到光源照明，我们需要先改变一下术语，用“辐照度”取代口头上常用的“强度”。辐

照度是单位面积上的入射光功率密度。用功率乘以时间，可以将功率转换为能量；在

这里，时间指的是相机的曝光时间。

对于线扫成像的照明，一个普遍的共识是：它比面阵相机照明需要更高的辐照度（见

图3）。

图3：投射线形光的光源。（图片来源：Advancedillumination）

假设有两台相机，一台是线扫相机，有1000个像素；另一台是面阵相机，图像分辨率

为1000×1000像素。我们假设两台相机的像素灵敏度相同，并假设面阵相机的曝光时

间为30ms。线扫相机将在场景上方移动，以获取1000条扫描线，从而生成1000×1000

像素的图像，生产1000条扫描线的时间为30ms。这意味着每条线的曝光时间为30μs，

也就是说，线扫相机需要的辐照度，要比面阵相机大1000倍。但是，面阵相机的照明

需要覆盖的面积，则比线扫相机的大1000倍。这样看来，两台相机所需要的照明功率

是相同的。

接下来，我们再来对比一下线扫图像传感器和面阵图像传感器。在另一个案例中，使

用了相同的两台相机，零件移动经过相机。在机器视觉中，最好的做法是将运动产生

的模糊限制在一个像素内。对于线扫相机而言，这是它对运动物体进行成像时的典型

特点，图像模糊存在于沿运动方向的一个像素内。对于线扫相机，我们可以使用与前

一个案例中相同的照明，因为曝光时间仍然是30μs。但是，对于面阵相机，其曝光时

间必须从30ms减少到30μs（与线扫相机相同）来控制图像模糊。

在本例中，面阵相机照明的辐照度必须与线扫相机照明的辐照度相等，此外，它必须

还要覆盖整个视场。因此，面阵相机需要的光功率是线扫相机的1000倍。

面阵相机对高功率的需求，可以通过30μs频闪照明的方式来抵消。也就是说，线扫相

机照明所需要的光能量（光功率和曝光时间的乘积，仅有一条线被连续照亮）和面阵

相机照明所需要的光能量（面阵相机照明需要的光功率是线扫相机的1000倍，但曝光

时间仅为线扫相机的1/1000）是相同的。

再来看一下会对上面结果产生影响的其他因素。

从光学上来说，将光聚焦成一条细线是非常困难的。大多数商用的线光源都使用圆柱

形透镜将一排LED光聚焦成一条线。有一个叫做Etendue的光学原理（在此不做赘述）

指出，投射光功率受面积和实体角度的影响，无论你做什么，都不能增加光源的Etendue；

你只能保持或减少它。

光源，通常是LED光源，其光辐射都有一定的面积和一个大的立体角度。我们希望光

线以受限的立体角度，覆盖在一个非常窄、也非常小的面积上。因此，不可能在不损

失大量光能量的情况下照亮一条细窄的线，除非光源离线非常近，以增