线阵描摄像机在印刷品质量检测领域扮演着重要的角色

线阵描摄像机在印刷品质量检测领域扮演着重要的角色^[29]。线阵扫描摄像机的优点是可以连续扫描物体。另外,与面阵扫描摄像机的二维视场照明相比,单行照明更容易实现。

过去,主流的线性扫描摄像机是基于CCD图像传感器的^[258]。近来,发明了越来越多的基于互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器的线扫描摄像机^{[259,324,325,49]}。印刷品检测应用中,通常要求使用彩色摄像机。彩色线扫描摄像机中通常使用三种方式：①分光器和三色传感器;②三线传感器;③在有源传感器阵列中,滤色镜以一行或两行间隔交替布置（马赛克滤镜）。

我们知道,通过棱镜方法使用分光器的摄像机,有最高的色彩保真度。但是,较之其他方法,高质量的滤色镜（大多为干涉滤色镜）、三个独立的图像传感器和精密的机械调整也就带来了更大的体积和更高的成本。

三线摄像机的成像传感器,每三个像素行中的一行只对一种颜色的光谱带敏感,如Chromasen公司的Aleos摄像机^[113],或是Dalsa公司的Piranha Color^[135]。由摄像机来补偿三幅图像间的时延。这种摄像机最主要的优点是价格便宜。

基于线扫描摄像机的马赛克滤镜,类似于使用Bayer滤波器^[51]的面阵扫描摄像机。行内排列有不同颜色敏感度的像素点,如Basler公司的sprint摄像机^[49]。最后,摄像机产生的部分彩色分量通过相邻像素间的插值来得到。

图像可以通过行触发信号触发摄像机来获取。根据拍摄目标速度,轴编码器能提供该触发信号。每一个触发脉冲作用下,摄像机产生一维的一行像素。当目标经过摄像机镜头时,重复地触发可形成被检测目标的二维图像。

图7.3说明了速度v、传输方向上固定空间分辨率d、行触发频率f_T之间的紧密关系,其中f_T=v/d。垂直于传输方向的空间分辨率,取决于光学系统成像的比例和像素点大小,其中d是由轴编码器的分辨率定义的。

实际上,曝光时间是固定的参数,且会设置为最大的可能值,但必须小于最小的行触发周期1/f_T。另一方面,曝光时间不是完全任意的参数。要想在传输方向上获得更好的分辨率,更高的传输速度,只有减小曝光时间。显而易见,因传感器像素灵敏度受限以及照度不能充分发挥作用将会导致一些相关的问题。(www.xing528.com)

图7.3 线扫描摄像机的原理

工业印刷检测中使用100kHz的行速率,会导致曝光时间低于10μs。和通常曝光时间在毫秒级的消费性摄像机相比,这个曝光时间非常短。因此,使用了数十万勒克司的照明强度。另外,如图7.3所示的剖面图所描述,光线被集中在了一个狭窄区域。尽管如此,信号电平非常低,噪声变成了制约因素。

使用基于CCD的TDI（Time Delay Integration）摄像机^[136]是增加光敏度和改进图像质量的一个解决办法。正如面阵扫描成像传感器,CCD TDI成像传感器只有一些行（多阶段）用于图像获取。进一步,这些行在积累光生电荷的同时,以与物体同样的运动速率逐行切换。最后,经历几个曝光周期后产生了累积电荷,且没有降低分辨率,没有产生运动模糊。

其优点在于,TDI改善了信噪比^[505]。信号按比例累积,累积次数为N。另一方面,与噪声无关的信号分量按比例N进行累积。因此,可N阶段累积电荷的TDI摄像机具有信噪比改善因子N。

大多数TDI摄像机为单色且基于CCD成像传感器。近年来,人们尝试将TDI原理应用于CMOS传感器^[313]。主要原因包括,成像传感器中CMOS制造技术的改进、更好地利用现有的CMOS工艺流程和最终的制造成本。在7.3.1节中,描述了怎样用MX方法（等效于CCD-TDI的一种数字方法）来增加CMOS传感器的光敏度。