机器视觉系统工业相机的成像原理及如何选型

机器视觉系统是一种模拟人类视觉功能，通过光学装置和非接触式传感器获取图像数据，并进行分析和处理，以实现对目标物体的识别、测量、检测和定位等功能的智能化系统。其目的是让机器能够理解和解释视觉信息，从而做出决策或执行任务。简单来说，机器视觉是用机器代替人眼来做测量和判断。

机器视觉系统

图像处理流程

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。

一、工业相机的工作原理

1.图像采集：通过镜头收集被拍摄物体反射或透射的光线，将其聚焦在图像传感器上。

2.光电转换：图像传感器（常见的有 CCD 和 CMOS）将光信号转换为电信号。以 CMOS 传感器为例，每个像素点都有一个感光二极管，光线照射时产生与光强成正比的电荷，进而被转换为电压信号。

3.信号处理：转换后的电信号经过放大器进行放大，并通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，这些数字信号经过处理后形成数字图像数据，传输给计算机等设备进行后续分析。

二、工业相机的分类

按图像传感器类型：分为 CCD工业相机和 CMOS工业相机。

按输出色彩：分为彩色工业相机和黑白（单色）工业相机。

按扫描方式：面阵工业相机和线阵工业相机。

按输出信号方式分：模拟工业相机、数字工业相机。

按响应频率范围分：可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。

按照光谱波段数量来分，可分为高光谱相机和多光谱相机。

按照成像维度分：2D工业相机和3D工业相机

特殊工业相机：偏振工业相机。

三、工业相机的传感器

图像传感器作为工业相机核心部件，其靶面的大小，往往直接关系到成像的质量。通常来讲，图像的成像质量与像素的大小成正比。这也就意味着，同样大小的图像传感器，如果分辨率越高，那么像素尺寸就越小，其成像质量也就会越差。

工业上的1/2.3’CMOS传感器，分辨率通常只在500万像素级别，而 民用的1/2.3’CMOS传感器，则分辨率可以做到1600万像素甚至更高的级别。因此工业相机的成像质量往往要比民用的相机成像质量要好；同时，如果相同分辨率的相机，传感器面积越大，则其单位像素的面积也越大，成像质量也会越好。同样的500万像素的相机，2/3’的传感器成像质量就要好于1/2’的。

常见的传感器尺寸

四、相机如何选型

1. 明确应用需求

检测目标：尺寸、速度、精度、缺陷类型（如表面划痕、尺寸测量等）。

环境条件：光照（自然光/人工光源）、温度、振动、粉尘等。

输出要求：是否需要实时分析、数据存储或与其他设备（如PLC）通信。

2. 核心参数选型

(1) 分辨率

公式计算： 分辨率≥被测物尺寸/检测精度×安全系数。例如：检测10mm物体，要求0.05mm精度，需至少200万像素（1600×1200）。

(2) 传感器类型

全局快门（Global Shutter）：适合高速运动物体（如流水线），避免拖影。

滚动快门（Rolling Shutter）：静态或低速场景，成本低。

传感器尺寸：越大则通光量越高，但需匹配镜头像场。

(3) 帧率（FPS）

计算： 帧率≥产线速度/检测步长（单帧视野）。例如：产线速度1m/s，每帧视野10mm，则至少需100FPS。

高速场景：选择Camera Link或CoaXPress接口（如500FPS以上）。

(4) 像元尺寸

小像元（如1.4μm）：高分辨率但低感光，需强光源。

大像元（如5.5μm）：低照度表现好，适合弱光环境。

(5) 光谱响应

可见光（400-700nm）：常规检测。

近红外（700-1000nm）：穿透性检测（如硅片内部缺陷）。

紫外或X光：特殊材料分析。

3. 接口选择

4. 镜头选型匹配

焦距计算： 焦距=工作距离×传感器尺寸/视野（FOV）

镜头类型： 远心镜头：高精度尺寸测量（无透视误差）。

FA镜头：通用场景，成本低。

变焦镜头：视野需频繁调整的场景。

5. 其他关键因素

动态范围（HDR）：高对比度场景（如焊接检测）需100dB以上。

触发模式：硬件触发（光电传感器同步）或软件触发。

防护等级：IP67（防尘防水）适用于户外或恶劣环境。

软件支持：兼容Halcon、LabVIEW或定制SDK开发。

五、相机选型注意事项

1、相机类型

对于静止检测或者一般低速的检测，优先考虑面阵相机，对于大幅面高速运动或者滚轴等运动的特殊应用考虑使用线阵相机。根据检测的速度，选择相机的帧率一定要大于物体运动的速度，一定要在相机的曝光和传输时间内完成。而在实际检测中实现同样的目的可以有多种不同的解决办法，相机的选择也就有了更多空间。

2、相机帧率

相机的帧率决定着设备的测量效率，如相机的帧率是30FPS，则每秒钟最多拍摄30次。通常来说，相机的分辨率越低，同样的接口，帧率也会越高；而分辨率越高，帧率也会越低。帧率*分辨率≤总线带宽，即在接口一定（总线带宽已经确定），分辨率一定时，帧率也是有其最大值的。即要想相机的分辨率快，又要想相机的帧率高，那么就需要找更大带宽的总线，也就是相机的输出接口。

3、相机的曝光时间

相机的最小曝光时间，可以决定目标的运动速度。或者反过来说，目标的运动速度，对相机的最小曝光时间提出了要求。

假设我们的目标运动速度是1mm/S，我们的测量精度是0.01mm/pixel，那么我们必须考虑，物体的运动引起的拖影必须要小于我们的精度0.01mm，目标移动0.01mm，需要用时10ms，这就要求我们的相机的曝光时间必须小于10ms，如果大于这个曝光时间，那么仅仅物体运动引起的模糊就会大于0.01mm，这时我们的精度已经无法达到0.010.01mm/pixel了。

4、与镜头的匹配

传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头的靶面尺寸，C 或CS 安装座也要匹配（或者增加转接口）。