2. 工业相机与传感器选型

工业相机的选型不是“挑一台分辨率最高的相机”，而是把检测任务的空间分辨力、速度、光照条件、被测物运动状态和接口带宽放在一起权衡。面阵与线阵、CCD与CMOS、全局与卷帘快门、像元尺寸、靶面尺寸、量子效率、动态范围、信噪比、帧率与接口，这些参数彼此耦合，任何一项单独拉满都可能让系统在成本或稳定性上失衡。本节按“先定成像体制，再定传感器与快门，最后核算分辨率、速度与接口”的顺序展开，并给出可直接套用的选型计算示例。

一、先定成像体制：面阵还是线阵

面阵相机一次曝光获得二维图像，适合静止或准静止工件的尺寸测量、缺陷检测、字符识别、装配确认。线阵相机每次只采集一行像素，依靠工件与相机之间的相对运动拼接成二维图像，适合连续卷材、圆柱面、大幅面平板等场景，例如薄膜表面缺陷、印刷品在线检测、金属带材划痕检测。判断依据很直接：如果被测物在曝光时间内相对相机静止，优先面阵；如果被测物连续运动且需要高横向分辨率，线阵更合适。

线阵选型的关键是行频与运动速度匹配。设产线速度 v（mm/s），要求纵向分辨率对应的单行覆盖宽度为 W（mm/行），则所需行频 f_L = v / W。例如产线速度 500 mm/s，要求纵向每 0.1 mm 采集一行，则行频需达到 5000 行/s。若相机最高行频只有 4000 行/s，就必须降低速度或放宽纵向分辨率，不能靠后期插值弥补。

二、CCD与CMOS、全局与卷帘快门

CCD与CMOS的差异在工业现场已不像早期那样决定性。CCD通常噪声低、一致性好，但功耗高、读出速度受限、成本高；CMOS凭借列并行读出实现高帧率、低功耗和片上处理，已成为主流。真正影响成像质量的是快门方式：全局快门在同一时刻曝光所有像素，运动工件不会产生形变；卷帘快门逐行曝光，运动物体在图像中会出现倾斜、拉伸或“果冻效应”。

因此，只要被测物在曝光期间存在相对运动，就应优先选择全局快门。卷帘快门可用于静止或极慢速场景，但必须核算曝光时间内的位移量。设运动速度 200 mm/s，曝光时间 500 μs，则位移为 0.1 mm；若系统要求定位精度优于 0.05 mm，卷帘快门带来的行间时间差就会直接破坏测量结果。

三、像元尺寸、靶面尺寸与分辨率核算

分辨率不能只看像素总数，而要看“每个像素对应被测物上的多大尺寸”。设视场宽度为 FOV（mm），相机横向像素数为 N_x，则单像素对应物面尺寸 p_obj = FOV / N_x。工程上通常要求最小可检缺陷至少覆盖 2～3 个像素，因此可检尺寸约为 2～3 倍 p_obj。

例如视场 100 mm，选用 500 万像素（2448×2048）相机，则 p_obj ≈ 100/2448 ≈ 0.041 mm，可稳定检出约 0.08～0.12 mm 的缺陷。若要求检出 0.05 mm 缺陷，则需 p_obj ≤ 0.025 mm，横向像素数至少 4000，应选 1200 万像素级相机或缩小视场。

像元尺寸与靶面尺寸共同决定镜头选型和灵敏度。像元越大，单像素接收光子越多，低照度下信噪比越好，但相同分辨率下靶面更大，镜头成本上升；像元越小，分辨率越高，但衍射极限和噪声更敏感。靶面尺寸必须与镜头像面尺寸匹配，否则会出现暗角或成像圈不足。常见靶面有 1/1.8″、2/3″、1″、4/3″ 等，选镜头时其支持的最大靶面应不小于相机靶面。

四、量子效率、动态范围与信噪比

量子效率（QE）表示光子转换为电子的比例，直接决定弱光下的信号强度。动态范围表示相机同时容纳最亮与最暗信号的能力，通常用 dB 表示，高动态范围场景（如同时存在反光金属和高吸收黑胶）需要 70 dB 以上。信噪比（SNR）则决定图像是否“干净”，在相同曝光下，QE 越高、读出噪声越低，SNR 越好。

三者不能孤立看：高 QE 但读出噪声大，弱光下仍可能被噪声淹没；动态范围高但帧率低，可能无法满足产线节拍。选型时应要求供应商提供 QE 曲线、读出噪声、满阱容量和动态范围数据，并结合实际光照做验证。

五、帧率与接口带宽核算

帧率必须满足节拍。设检测节拍为 T（s/件），单件需采集 k 张图像，则相机帧率 f ≥ k / T。例如节拍 0.5 s，需 3 张不同角度图像，则帧率至少 6 fps；若还要留 30% 余量，应选 8～10 fps 以上。

接口决定能否把数据实时传走。数据率估算为：像素数 × 位深 × 帧率。以 2448×2048、8 bit、30 fps 为例，数据率 ≈ 2448×2048×8×30 ≈ 1.20 Gbit/s。GigE Vision 理论 1 Gbit/s，实际有效约 0.8～0.9 Gbit/s，无法承载；USB3 Vision 约 3.2 Gbit/s，可满足；10GigE、Camera Link、CoaXPress 适合更高带宽。接口选择还要考虑线缆长度：GigE 可达 100 m，USB3 通常 3～5 m，Camera Link 约 10 m，CoaXPress 可达 40 m 以上。

六、典型场景选型示例

场景一：静止金属零件表面划痕检测。视场 80 mm，要求检出 0.05 mm 划痕。按 2 像素覆盖计算，需 p_obj ≤ 0.025 mm，横向像素 ≥ 3200，选 500 万～1200 万像素面阵 CMOS，全局快门，2/3″ 靶面，配 35 mm 镜头，GigE 接口即可满足 10 fps 以内节拍。光源用低角度暗场照明突出划痕。

场景二：薄膜卷材在线缺陷检测。幅宽 600 mm，产线速度 300 mm/s，要求纵向分辨率 0.1 mm。行频 = 300/0.1 = 3000 行/s。选 4K 线阵 CMOS，行频 ≥ 4000 行/s，Camera Link 或 CoaXPress 接口，配大靶面线阵镜头，光源用高均匀度线光源。若用 GigE，需核算数据率：4096 像素 × 8 bit × 3000 行/s ≈ 0.98 Gbit/s，已接近 GigE 上限，建议升级接口。

场景三：高速运动工件定位。速度 1000 mm/s，曝光时间 100 μs，位移 0.1 mm。若要求定位精度 0.05 mm，必须使用全局快门并配合频闪光源，否则卷帘快门和运动模糊都会导致失败。帧率按节拍反推，接口按数据率选择，必要时用 ROI 降低像素数来提升帧率。