从原理到应用, 一文读懂工业线阵与面阵相机区别

 工业相机作为机器视觉系统的核心组成部分，其性能直接决定了整个视觉系统的检测能力和精度水平。

在工业应用领域，根据传感器结构特性的不同，工业相机主要分为线阵相机和面阵相机两大类别。

这两种类型的相机各有独特的工作原理、技术特点和应用场景，在实际项目中如何正确选择和使用它们，成为机器视觉工程师必须掌握的专业技能。

本文将深入解析线阵相机与面阵相机的工作原理，对比分析它们的技术特点，并针对不同应用场景提供专业的选型建议。

一、工业相机的基本工作原理

要理解线阵相机与面阵相机的区别，我们首先需要了解它们的基本工作原理。

从光学成像的角度来看，所有工业相机都通过镜头将目标场景成像在传感器上，传感器将光信号转换为电信号，再经过处理形成数字图像。

然而，线阵相机和面阵相机在传感器结构和工作方式上存在着根本性的差异。

1.面阵相机

面阵相机采用的传感器像素以矩阵形式排列在整个感光面上，可以一次性捕获完整的二维图像。

这种方式非常类似于我们日常使用的数码相机或手机摄像头，单次曝光就能获取整个视野范围内的图像信息。

面阵相机实现的是像素矩阵拍摄，图像细节的表现能力不是由像素数量单一决定的，而是由系统分辨率决定的，而分辨率又受到所选镜头焦距的直接影响。对于同一种相机，选用不同焦距的镜头，获得的分辨率也会有所不同。

2.线阵相机

线阵相机则采用了完全不同的一种工作方式。它的传感器只有一行感光元素，呈线状，虽然也能获得二维图像，但其图像长度极长，通常可达几K的长度，而宽度却只有几个像素的尺寸。

线阵相机需要通过与被检测物体的相对运动，逐行连续扫描，逐步构建出二维图像。当需要极大的视野或极高的精度时，线阵相机会使用触发装置多次激发，进行多次拍照，然后将所拍下的多幅条形图像拼接合并成一张完整的图像。

从成像过程来看，面阵相机的成像是一次完成的，而线阵相机的成像则是分时、分段完成的。这种根本性的差异决定了两者在应用场景、系统构成和技术要求上的不同。

二、线阵相机的技术特点与应用场景

线阵相机作为一种特殊的视觉采集设备，在特定应用场景下展现出独特的优势。线阵相机的传感器只有一行感光元素，这种结构使得它在高扫描频率和高分辨率方面具有天然优势。

线阵相机主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图像处理。它的典型应用场景是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。

在这些应用中，被检测的物体通常处于匀速运动状态，利用一台或多台线阵相机对其逐行连续扫描，可以达到对整个表面均匀检测的目的。采集到的图像可以逐行进行处理，也可以将多行图像组合成面阵图像后进行处理。

线阵相机非常适合精密测量场合，这主要归功于其传感器的高分辨率特性。

相比于面阵相机，线阵相机的一维像元数可以做得非常多，而总像元素却相对较少，且像元尺寸设计更为灵活，帧幅数也更高。

这些特点使得线阵相机特别适用于一维动态目标的高精度测量。

在实际应用中，线阵相机系统通常需要配合精密的运动控制装置。要用线阵相机获取二维图像，必须配以扫描运动，而且为了确定图像每一像素点在被测件上的对应位置，还必须配备光栅等器件以记录线阵每一扫描行的坐标。

这些要求使得线阵相机系统相对复杂，图像获取时间较长，测量效率可能受到一定影响，系统的精度也可能受到扫描运动精度的影响。

尽管如此，线阵相机在多个行业领域仍然具有不可替代的地位。例如，在医疗行业检测、光伏面板检测、平板显示检测、PCB印刷检测、金属表面检测、塑料检测、纸和纤维检测、半导体等弱光环境等行业，线阵相机都发挥着重要作用。

三、面阵相机的技术特点与应用场景

面阵相机作为工业视觉领域应用最为广泛的相机类型，其优势在于能够一次性获取完整的二维图像信息，测量图像直观，使用方便。

面阵相机的像素以矩阵形式排列，可以同时捕捉图像的所有部分，这种方式使得它在静态或低速场景下表现出色。

面阵相机适合应用于面积、形状、尺寸、位置等测量。与线阵相机相比，面阵相机的应用面更为广泛，在工业检测中的使用也更加普遍。

在技术指标方面，面阵相机的重要参数包括曝光时间、像元尺寸、面阵大小、成像帧频和读出速率等。这些参数共同决定了面阵相机的实际性能和应用范围。

需要注意的是，面阵相机的像元总数较多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到一定限制。由于生产技术的制约，单个面阵CCD的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。

面阵相机现已广泛应用于3C制造、食药品生产、快递物流、印刷与纺织、汽车制造、新能源等行业，可以用于定位与测量、缺陷检测等多种场景。

例如，在定位与测量应用中，面阵相机可以高效地进行模板匹配，快速准确地查找几何体的位置，并进行精确的测量。在缺陷检测中，面阵相机可以基于深度学习技术检测工件表面、形状、轮廓的缺陷。

在选择面阵相机时，需要综合考虑分辨率、帧率、芯片类型、像素尺寸等多个因素。相机的分辨率应当满足检测精度的要求，一般情况下，项目的精度在图像中至少占1个像素，如果软件处理能力较弱，可以选择3个像素或以上以确保可靠性。

帧率的选择则要根据被测物体的运动速度来决定，不必盲目追求高速相机，而是要根据相对运动速度，确保在检测区域内能够有效捕捉到被测物即可。

四、工业相机的选型策略

在机器视觉系统设计中，如何正确选择相机类型并搭建完整的视觉系统，直接关系到项目的成败。线阵相机和面阵相机各有其适用的场景，选型时需要基于具体的项目需求进行综合考量。

面阵相机的选型相对较为直接，一般遵循从相机到镜头再到光源的选型顺序。

首先需要根据检测需求确定相机的类型，对于静止检测或者一般低速的检测，优先考虑面阵相机。

分辨率的选择不必盲目追求高像素，而应根据项目检测精度要求来确定，像素过高会导致帧率下降、图像处理速度变慢。

帧率的选择需要考虑物体的运动速度，确保在检测区域内能有效捕捉到被测物。

在色彩方面，工业视觉检测一般推荐使用黑白相机，因为软件处理通常会转换为灰度数据来进行，而且工业上的彩色相机经过Bayer算法转换，与真实色彩存在一定差距。

线阵相机的选型过程则更为复杂，需要考虑的因素也更多。

一般来说，线阵项目的选型顺序是根据系统的检测精度和速度要求，确定线阵CCD相机的分辨率和行扫描速度，同时确定对应的采集卡，然后选择镜头接口时兼顾镜头的选型，最后确定光源的选型。

具体选型时，首先计算分辨率，用幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素；然后根据幅宽除以像素数得出实际检测精度；最后用每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数。

例如，当幅宽为1600毫米，精度要求1毫米，运动速度22000mm/s时，相机分辨率至少需要2000像素，应选定2k相机，行频要求为27.5KHz。

工业线阵相机和面阵相机作为机器视觉领域的两大核心采集设备，各自具有鲜明的技术特点和适用的应用场景。面阵相机凭借其二维一次性成像特性，在静态或低速检测场景中表现出色，使用简便，应用范围广泛；

而线阵相机则以其高分辨率、高扫描频率的特性，在连续材料检测、高速运动场景以及需要大视野、高精度的特殊应用中展现出独特优势。

在实际项目中选择相机类型时，工程师需要综合考虑检测对象的特性、运动状态、精度要求、速度要求以及系统成本等多方面因素，才能做出最合适的决策。

一般来说，对于静止或者低速运动的物体，常规检测需求，优先考虑面阵相机；对于连续运动的材料，或者需要大视野、极高精度的检测场景，则线阵相机可能是更合适的选择。

工业相机的技术发展永远不会停步，未来我们有望看到更多创新技术的出现，进一步拓展机器视觉的应用边界，为工业自动化提供更加强大、可靠的视觉感知能力。无论是线阵相机还是面阵相机，都将在未来的智能制造浪潮中扮演愈发重要的角色。