دوربین‌های خطی و دوربین‌های دو‌بعدی

معرفی دوربین‌های خطی و دوربین‌های دو‌بعدی در سیستم‌های اپتیکی و بینایی ماشین

در دنیای اپتیک و تصویربرداری صنعتی، انتخاب نوع دوربین بر اساس نیازهای پروژه و ویژگی‌های صحنه هدف، اهمیت حیاتی دارد. دو خانواده اصلی حسگرهای تصویربرداری شامل دوربین‌های خطی (Line Scan) و دوربین‌های دو‌بعدی (Area Scan)  هستند. هرکدام از این فناوری‌ها رویکرد متفاوتی برای ثبت تصویر دارند و در کاربردهای صنعتی، علمی و دفاعی جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده‌اند.

1 – دوربین‌های دو‌بعدی (Area Scan Cameras)

این نوع دوربین‌ها متداول‌ترین حسگرهای تصویربرداری هستند که از یک آرایه دو‌بعدی پیکسل‌ها تشکیل شده‌اند. هر تصویر ثبت شده یک “فریم” کامل از صحنه را نشان می‌دهد. این روش برای مواردی مناسب است که هدف یا صحنه ثابت یا با حرکت محدود باشد.

کاربردها:

• تصویربرداری عمومی و عکاسی صنعتی
• سیستم‌های نظارت و امنیتی
• میکروسکوپی و ثبت تصاویر علمی
• بینایی ماشین برای قطعات ثابت

مزایا:

• ثبت کامل تصویر در یک لحظه (Single Exposure)
• مناسب برای صحنه‌های متحرک با سرعت کم یا متوسط
• سخت‌افزار و نرم‌افزار گسترده و در دسترس

معایب:

• در سرعت‌های بالا احتمال ایجاد Motion Blur
• رزولوشن محدود نسبت به نیازهای خاص در عرض یا طول زیاد

2 – دوربین‌های خطی (Line Scan Cameras)

در این نوع، سنسور تنها یک ردیف پیکسل دارد که تصویر را خط به خط ثبت می‌کند. با حرکت هدف یا دوربین، خطوط متوالی به یک تصویر دو‌بعدی ترکیب می‌شوند. این فناوری در سیستم‌هایی که جسم به صورت پیوسته حرکت می‌کند، کارایی فوق‌العاده دارد.

کاربردها:

• بازرسی خطوط تولید با سرعت بالا
• تصویربرداری از اجسام بسیار بزرگ یا طولانی (نساجی، کاغذ، فولاد)
• تصویربرداری هوایی و اسکن ماهواره‌ای
• طیف‌سنجی تصویری (Hyperspectral Imaging)

مزایا:

• کیفیت یکنواخت در طول‌های زیاد بدون اعوجاج پرسپکتیو
• قابلیت کار با وضوح بسیار بالا در یک بعد
• مناسب برای سرعت‌های خطی بسیار بالا

معایب:

• نیاز به هم‌زمان‌سازی دقیق حرکت جسم و سرعت اسکن
• محدودیت در ثبت صحنه‌های ایستا بدون سیستم مکانیکی کمکی

3 – پارامترهای کلیدی در ارزیابی دوربین‌ها

  Frame Rate

در دوربین‌های دو‌بعدی، نرخ فریم تعداد فریم‌های کامل ثبت شده در هر ثانیه استبر حسب( fps) هر فریم شامل کل آرایه پیکسل‌هاست. نرخ فریم بالاتر برای ثبت اجسام سریع یا کاهش تاری حرکتی اهمیت دارد.

Line Rate

در دوربین‌های خطی، نرخ خط تعداد خطوط ثبت‌شده در ثانیه است  (بر حسب kHz یا lines/sec). این پارامتر به همراه سرعت حرکت جسم، وضوح تصویر نهایی را تعیین می‌کند.

Pixel Size

اندازه فیزیکی هر پیکسل (معمولاً بر حسب میکرومتر) تعیین‌کننده حساسیت نوری، نسبت سیگنال به نویز و توان تفکیک جزئیات است. پیکسل‌های بزرگ‌تر نور بیشتری جذب می‌کنند ولی رزولوشن فضایی پایین‌تری دارند.

Sensor Material

• CCD و CMOS با بستر سیلیکونی: رایج‌ترین در بازار، با هزینه کمتر و تنوع بالا.
• سنسورهای ارگانیک (Organic Sensors): با قابلیت جذب نور بهتر و دامنه دینامیکی گسترده‌تر، در حال توسعه صنعتی.
• سنسورهای سرامیکی یا هیبریدی: برای شرایط محیطی سخت و پایداری حرارتی بالا (کاربردهای نظامی و فضایی).

4 –  مقایسه کلی مزایا و معایب

• دوربین دو‌بعدی: مناسب برای صحنه‌های عمومی، ساده‌تر و ارزان‌تر، اما محدود در سرعت بسیار بالا.
• دوربین خطی: ایده‌آل برای سرعت بالا و ابعاد وسیع، اما نیازمند کنترل حرکت دقیق و سیستم‌های مکانیکی اضافی.

5 – انتخاب بر اساس کاربرد

• کارهای صنعتی سرعت بالا: دوربین خطی با نرخ خط بالا
• کاربردهای آزمایشگاهی و عمومی: دوربین دو‌بعدی با نرخ فریم مناسب
• محیط‌های سخت یا نظامی: سنسورهای هیبریدی یا سرامیکی مقاوم به دما و ضربه
• تصویربرداری طیفی: ترکیب دوربین خطی با سیستم اسکن طیفی

6 – برندهای معتبر تولیدکننده دوربین‌های خطی و دو‌بعدی

در بازار جهانی، چندین شرکت پیشرو به دلیل کیفیت ساخت بالا، پشتیبانی نرم‌افزاری و گستره محصولات خود، انتخاب اول بسیاری از متخصصان اپتیک و بینایی ماشین هستند.

تولیدکنندگان دوربین‌های دو‌بعدی (Area Scan)

Basler AG

• شناخته‌شده برای دوربین‌های صنعتی با سنسورهای CMOS و CCD
• مدل‌های معروف: سری ace، dart، boost
• کاربرد: بینایی ماشین، پزشکی، نظارت امنیتی

FLIR Systems / Teledyne FLIR

• تخصص در تصویربرداری حرارتی و دوربین‌های visible/IR
• مدل‌های معروف: Blackfly S، Grasshopper
• کاربرد: اپتیک صنعتی، مادون قرمز، دفاعی

Allied Vision Technologies

• ارائه‌دهنده دوربین‌های صنعتی با سنسورهای بزرگ و کیفیت رنگ بالا
• مدل‌های معروف: Alvium، Mako، Prosilica

Sony Semiconductor

      تولیدکننده سنسورهای CMOS/CCD با کیفیت بالا که در بسیاری از برندهای دیگر استفاده می‌شود.

تولیدکنندگان دوربین‌های خطی (Line Scan)

Teledyne DALSA

• یکی از معتبرترین برندها در دوربین‌های خطی با نرخ خط بسیار بالا
• مدل‌های معروف: Linea، Piranha
• کاربرد: بازرسی PCB، چاپ، بسته‌بندی، صنایع فلزی

Basler AG

     علاوه بر دوربین‌های دو‌بعدی، سری line scan با کیفیت اپتیکی بالا تولید می‌کند

JAI A/S

• دوربین‌های خطی رنگی و تک‌رنگ با دقت بالا
• مدل‌های معروف:  Sweep Series

Cognex Corporation

   تمرکز بر سیستم‌های بینایی ماشین با دوربین‌های خطی داخلی برای بازرسی خودکار

Vieworks Co., Ltd

    تخصص در دوربین‌های خطی رزولوشن بالا با پیکسل‌های بزرگ

برندهای ترکیبی (تولید هر دو نوع)

• IDS Imaging Development Systems
• Photonfocus
• Hamamatsu Photonics
• Keyence Corporation