3. 线扫相机硬件选型
线扫相机的硬件选型直接决定了成像质量、采集速度与系统稳定性。本章从传感器、接口、镜头、光源四个维度展开，帮助你在实际项目中做出合理选择。
3.1 传感器类型：CMOS vs CCD
虽然 CCD 在工业视觉早期占据主导，但现代线扫相机中 CMOS 已逐步成为主流。下表对比两者的核心差异：
| 对比项 | CMOS | CCD |
|---|---|---|
| 读出方式 | 每个像素独立放大/读出 | 整行电荷转移，统一放大 |
| 行频上限 | 高（可达 200 kHz 以上） | 较低（通常 ≤ 80 kHz） |
| 噪声水平 | 固定模式噪声较高，但现代全局快门 CMOS 已大幅改善 | 读出噪声低，图像均匀性好 |
| 动态范围 | 中等（60–70 dB），高端可达 80 dB | 较高（70–80 dB） |
| 功耗与散热 | 低功耗，发热小 | 功耗较高，需主动散热 |
| 成本 | 较低，供应链成熟 | 较高，专用芯片少 |
| 适用场景 | 高速产线、多相机系统、嵌入式视觉 | 弱光、高均匀性要求的精密测量 |
选型建议： 2025 年后的新项目优先选择全局快门 CMOS 线扫相机。CCD 仅在极低照度或对图像均匀性有极端要求的场景下考虑。
3.2 接口类型：Camera Link / CoaXPress / GigE
接口决定了带宽、传输距离与系统复杂度。三种主流接口对比如下：
| 接口 | 最大带宽 | 传输距离 | 线缆类型 | 典型行频支持 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| GigE Vision | 1 Gbps（约 125 MB/s） | 100 m（Cat6） | 以太网线 | 中低速（≤ 30 kHz） | 多相机、长距离、低成本 |
| Camera Link | Base: 2.04 Gbps Medium: 4.08 Gbps Full: 6.12 Gbps |
10–15 m | 专用 MDR/SDR 线 | 中高速（30–80 kHz） | 传统工业视觉、稳定可靠 |
| CoaXPress | CXP-6: 6.25 Gbps/路 CXP-12: 12.5 Gbps/路 多路聚合可达 50 Gbps |
40 m（CXP-6） 30 m（CXP-12） |
同轴电缆 | 高速（80–200 kHz） | 超高速产线、多线拼接 |
注意： Camera Link 需要专用采集卡，且线缆较粗、弯曲半径大；CoaXPress 支持单线供电（PoCXP），布线更简洁。GigE 虽带宽有限，但配合多相机负载均衡仍可满足中等速度需求。
3.3 镜头选型：焦距与放大倍率
线扫镜头选型需同时考虑 焦距 与 放大倍率，两者通过传感器像元尺寸、工作距离、视场宽度关联。
3.3.1 核心计算公式
放大倍率 β = 传感器像元宽度 × 像元数 / 视场宽度
焦距 f = 工作距离 × β / (1 + β) （薄透镜近似）
其中：
- β：光学放大倍率（无量纲）
- 工作距离：镜头前端到被测物表面的距离（mm）
- 传感器像元宽度：单个像元的物理尺寸（μm）
- 像元数：线扫相机单行像素数量
3.3.2 选型步骤
- 确定视场宽度：根据被测物最大宽度 + 余量（通常 10–20%）
- 计算放大倍率：β = 传感器有效长度 / 视场宽度
- 选择焦距：根据安装空间确定工作距离，代入公式计算 f
- 检查分辨率：确保镜头 MTF 在奈奎斯特频率处 ≥ 30%
- 确认接口与像面尺寸：C / F / M42 接口需匹配相机
实战案例： 检测 PCB 宽度 300 mm，使用 8k 线扫相机（像元 5 μm，传感器有效长度 40.96 mm）。β = 40.96 / 330 ≈ 0.124。工作距离 400 mm 时，f = 400 × 0.124 / 1.124 ≈ 44.1 mm。可选 50 mm 定焦线扫镜头。
3.4 光源选型：线光源与结构光
线扫相机通常配合 线光源 或 结构光 使用，两者原理与适用场景不同。
| 光源类型 | 工作原理 | 典型应用 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|---|---|
| 线光源 | 高亮 LED 通过柱面透镜汇聚成一条均匀亮线 | 表面缺陷检测、尺寸测量、印刷品检测 | 亮度高、均匀性好、成本低 | 仅提供 2D 灰度信息 |
| 结构光 | 激光或投影仪投射特定条纹/点阵图案 | 3D 轮廓测量、高度差检测、焊道检测 | 可获取深度信息、抗环境光干扰 | 需标定光平面、对振动敏感 |
3.4.1 线光源选型要点
- 波长：红色（660 nm）穿透性强，蓝色（460 nm）对金属表面细节好，白色用于彩色检测
- 长度：线长 ≥ 视场宽度 + 20% 余量
- 均匀性：要求线内照度不均匀度 ≤ 10%
- 散热：高功率线光源需强制风冷或水冷
3.4.2 结构光选型要点
- 激光等级：Class 2 / Class 3R 安全等级，需符合当地法规
- 线宽：决定 Z 轴分辨率，通常 10–50 μm
- 功率：根据被测物表面反射率调整，金属表面 10–50 mW，黑色橡胶需 100 mW 以上
- 标定：需定期做光平面标定，保证测量精度
3.5 硬件选型综合检查清单
在最终下单前，建议逐项确认以下参数：
| 模块 | 检查项 | 常见错误 |
|---|---|---|
| 传感器 | 行频 ≥ 产线速度 / 分辨率；像元尺寸匹配景深要求 | 行频余量不足导致图像拉伸 |
| 接口 | 带宽 ≥ 行频 × 像素深度 × 像素数；线缆长度在规格内 | GigE 跑高速导致丢包 |
| 镜头 | 焦距计算后取标准值；像面尺寸 ≥ 传感器对角线 | 使用普通面阵镜头导致边缘模糊 |
| 光源 | 波长匹配被测物材质；均匀性满足检测要求 | 线光源长度不足导致边缘照度下降 |
推荐工具： 使用 Basler 或 Teledyne Dalsa 官网的线扫镜头选型计算器，输入传感器参数与工作距离即可自动推荐焦距。