3. Teledyne相机与传感器特性
在工业成像系统中，相机不是“接上镜头就能出图”的被动器件。它的传感器结构、快门方式、像元尺寸、靶面尺寸、量子效率曲线、光谱响应范围以及数据接口，都会反过来约束镜头的选择、照明的波长与功率、系统的分辨率上限和节拍。理解这些约束，是光学选型从“能成像”走向“稳定、可测量、可复现”的关键一步。
一、CCD与CMOS：读出结构与适用场景
CCD（电荷耦合器件）将光生电荷逐行转移到输出放大器统一读出，结构上更容易获得高填充因子和良好的均匀性，传统上在低噪声、高动态范围场景中占优，但读出速度受限、功耗较高、多路输出设计复杂。CMOS（互补金属氧化物半导体）在每个像元内集成放大与读出电路，支持列并行甚至像元级ADC，读出速度快、功耗低、易于开窗和片上处理，现代科学级CMOS（sCMOS）在噪声和动态范围上已大幅逼近甚至超越CCD。
对光学选型的直接影响是：CCD通常需要更大的单次曝光能量来压低相对噪声，因此照明功率或积分时间要留足余量；CMOS可高速连拍，但卷帘快门（见下节）在运动场景中会引入几何畸变，需要配合频闪或全局快门型号。此外，CMOS的微透镜结构对入射角敏感，大光圈或短工作距离下边缘像元可能出现响应下降，选镜头时要关注CRA（主光线角）匹配。
二、全局快门与卷帘快门：运动目标的成像约束
全局快门（Global Shutter）在同一时刻曝光所有像元，再统一读出，运动物体不会产生倾斜或拉伸，适合飞拍、振动环境、多相机同步和需要精确几何测量的场合。卷帘快门（Rolling Shutter）逐行曝光，行与行之间存在时间差，当物体在曝光期间运动时，会出现“果冻效应”——直线变斜、圆形变椭圆，且畸变量与运动速度、行周期相关。
选型判断可以这样落地：若被测物在曝光时间内的位移超过约1个像元，且测量对几何形状敏感，就应优先选全局快门；若必须用卷帘快门，则需把曝光时间压到位移小于1个像元，或改用脉冲照明在极短时间内“冻结”运动。例如，某产线检测速度0.5 m/s，像元对应物方尺寸0.1 mm，则允许曝光时间约为0.1 mm / 500 mm/s = 200 μs，超过这个值卷帘畸变就会显现。
三、像元尺寸、靶面尺寸与分辨率
像元尺寸决定单像元能收集的光通量和空间采样密度。像元越大，满阱容量越高、信噪比越好，但相同分辨率下靶面更大，镜头需覆盖更大像圈；像元越小，分辨率潜力越高，但对镜头MTF、衍射极限和照明亮度要求更苛刻。靶面尺寸（如1/1.8"、2/3"、1"、4/3"）必须与镜头像圈匹配：镜头像圈小于靶面会出现暗角，大于靶面则浪费视场和分辨率。
分辨率匹配的核心是“物方采样”：系统能分辨的最小特征应至少由2～3个像元覆盖。若镜头光学分辨率不足，再小的像元也只是采样模糊。因此选型顺序通常是：先由检测精度定物方分辨率，再选像元与镜头焦距，最后用靶面尺寸校核视场和像圈。
四、量子效率与光谱响应：照明波长的选择依据
量子效率（QE）是光子转化为电子的比例，随波长变化。典型硅基传感器在500～600 nm附近QE最高，近红外（850～950 nm）明显下降，紫外（<400 nm）也较低。这意味着：用850 nm红外照明做穿透或减少可见光干扰时，必须提高照明功率或延长曝光；用紫外激发荧光时，要选背照式或UV增强型传感器，并配紫外透过镜头。
光谱响应还决定滤光片策略。若照明是单色LED，镜头和传感器只需在该波段有响应；若环境光干扰强，应选窄带滤光片，使通带与LED峰值对齐，同时避开传感器响应较弱的波段以减少噪声。单色相机没有拜耳滤镜，QE通常高于同规格彩色相机，适合低照度和高精度测量。
五、接口类型：带宽、线缆与同步
接口决定数据能否在节拍内传完。GigE Vision（1 Gbps）线缆长、成本低，适合多相机分布式；USB3 Vision（5 Gbps）即插即用，适合单相机高帧率；Camera Link（最高可达数Gbps）延迟低、确定性强，适合高速线扫；CoaXPress（CXP-6/12）单根同轴同时供电、触发和高速传输，适合高分辨率高帧率；10GigE则兼顾长距离与高带宽。
选型时要算一笔账：数据率 ≈ 分辨率 × 位深 × 帧率。例如 500万像素、8 bit、60 fps 需要约 2.4 Gbps，GigE 不够，USB3 或 CXP 才可行。同时要确认触发方式（硬触发/软触发）、供电（PoE、CXP供电）和线缆长度是否满足现场布局。
六、把约束串成一次选型
假设一个教学示例：检测0.2 mm的缺陷，视场60 mm × 45 mm，产线速度0.5 m/s，环境光较强。第一步，物方分辨率取0.05 mm/像元（缺陷由4个像元覆盖），则横向需1200像元，选1280×1024、像元5.3 μm的传感器，靶面约6.8 mm × 5.4 mm。第二步，视场60 mm对应靶面6.8 mm，放大倍率约8.8×，若工作距离200 mm，则焦距约22 mm，需选像圈覆盖2/3"的镜头。第三步，运动位移约束：0.05 mm/像元 ÷ 500 mm/s = 100 μs，卷帘快门在100 μs内畸变可接受，但为保险选全局快门。第四步，照明选625 nm红光LED，因该波段QE较高，配625 nm窄带滤光片抑制环境光。第五步，数据率1280×1024×8×60 ≈ 0.63 Gbps，GigE可满足，若需120 fps则需USB3或CXP。
把上述参数整理成一张选型校核表，可以在方案阶段快速排除不匹配组合。表中每一行都对应一个可验证的约束，而不是主观判断。
| 约束项 | 校核公式/判据 | 示例值 | 不通过时的调整 |
|---|---|---|---|
| 像圈匹配 | 镜头像圈 ≥ 靶面对角线 | 2/3"镜头 ≥ 11 mm | 换大像圈镜头或小靶面相机 |
| 物方采样 | 特征尺寸 / 像元对应物方尺寸 ≥ 2~3 | 0.2 mm / 0.05 mm = 4 | 提高分辨率或缩短工作距离 |
| 运动模糊 | 曝光时间 ≤ 像元物方尺寸 / 速度 | ≤ 100 μs | 全局快门或脉冲照明 |
| 照明能量 | 功率 ∝ 1 / QE(λ) | 850 nm 需提高约2~3倍 | 增大功率或延长曝光 |
| 接口带宽 | 带宽 ≥ 分辨率×位深×帧率×1.2 | 0.63 Gbps × 1.2 | 升级USB3/CXP或降帧率 |
需要强调的是，QE和光谱响应曲线应以厂商数据手册为准，示例中的数值仅用于说明选型逻辑，实际项目必须用具体型号的曲线重新核算。只有把传感器特性转化为可计算的约束，光学与照明选型才具备可复现的工程依据。