4. 传感器类型与光谱响应

工业相机的选型，第一步往往不是看分辨率或帧率，而是先回答两个问题：光信号如何被转换成电信号，以及曝光在时间轴上如何发生。前者决定灵敏度、噪声与光谱响应范围，后者决定运动物体是否会被“拍歪”。本节围绕 CCD 与 CMOS 两类传感器、全局快门与卷帘快门两种曝光方式，以及近红外（NIR）与紫外（UV）增强相机，梳理它们各自适合的产线场景。

一、CCD 与 CMOS：电荷搬运与像素内转换

CCD（电荷耦合器件）的核心是“电荷搬运”：每个像素在曝光期间积累电荷，随后电荷被逐行、逐列地转移到输出放大器，再统一转换为电压。由于整片传感器共用少数几个高质量放大器，CCD 的像素一致性通常较好，早期在低噪声、高动态范围场景中占优。但电荷转移需要较高驱动电压，功耗大、读出速度受限，且难以把处理电路集成到同一芯片上。

CMOS（互补金属氧化物半导体）则把放大与读出电路做进每个像素内部，实现“像素内转换”。它的优势是低功耗、高集成度、高读出速度，可以把列并行 ADC、时序控制甚至部分图像处理集成在传感器上。代价是每个像素都有自己的放大器，早期固定模式噪声（FPN）较明显，但现代 CMOS 通过相关双采样（CDS）和片上校正已大幅改善。今天工业产线上绝大多数新选型都落在 CMOS，CCD 主要保留在部分对一致性、特殊光谱或既有系统兼容性有要求的场合。

二、全局快门与卷帘快门：曝光的时间结构

快门方式决定“同一帧内所有像素是否同时曝光”。全局快门（Global Shutter）让所有像素在同一时刻开始、同一时刻结束曝光，整帧图像对应一个统一的时间切片。运动物体在曝光瞬间被“冻结”，不会产生几何畸变，因此适合传送带上的高速运动工件、飞行抓拍、振动环境下的尺寸测量。

卷帘快门（Rolling Shutter）则逐行依次曝光，每一行的曝光起始时间不同。当物体或相机在曝光期间发生相对运动时，图像会出现倾斜、拉伸或“果冻效应”。例如相机横向扫过竖直条纹，条纹会变成斜线；旋转的扇叶会被扭曲。卷帘快门的优点是结构简单、成本低、同分辨率下读出更快、噪声往往更低，适合静态或准静态场景，如固定工位的零件外观检测、显微成像、文档扫描。

下面这张图把四类传感器/快门组合与典型产线场景对应起来，同时标出光谱增强相机的适用区间，便于在选型时快速定位。

三、近红外与紫外增强：把“看不见”变成可检测

普通硅基传感器在 400–700 nm 可见光区响应最好，向两端延伸会迅速下降。近红外增强相机通过加厚耗尽层、优化抗反射镀膜或采用特殊像素结构，把 850–1050 nm 的量子效率显著提高。这在产线上有直接价值：NIR 能穿透某些塑料外壳、油墨涂层和水果表皮，用于检测内部异物、液位高度、封装气泡；同时 850 nm 或 940 nm 照明人眼几乎不可见，适合对操作人员有暗光要求的工位。

紫外增强则相反，需要让传感器对 200–400 nm 短波敏感。紫外波长短、散射强，对表面微划痕、裂纹、残留胶水非常敏感；配合紫外激发还能做荧光检测，例如芯片封装胶的涂覆均匀性、玻璃盖板划伤。需要注意的是，紫外光学系统必须使用紫外透过率高的石英或专用镜头，普通玻璃会强烈吸收 UV，导致“相机选对了、镜头却把光挡掉了”。

四、把参数落到选型判断上

实际选型时，可以把问题拆成一条判断链：先看被测对象是否需要非可见光信息，决定是否选 NIR/UV 增强；再看曝光时间内物体相对相机的位移，决定全局还是卷帘；最后在满足前两项的候选型号中，比较量子效率、读出噪声、满阱容量、帧率与接口。下面给出一个可填写的选型判断表，字段均来自本节讨论的真实参数。

总结来看，CCD 与 CMOS 是“信号如何读出”的底层选择，全局与卷帘快门是“曝光如何分布”的时间选择，NIR/UV 增强是“看哪个波段”的光谱选择。三者相互独立又共同约束最终成像质量。在产线项目中，先锁定光谱与快门，再在 CMOS 主流型号中匹配分辨率、帧率和接口，通常能最快收敛到可落地的方案。