2D相机、镜头、光源选型及各个参数含义

十里平湖满秋霜
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1.工业相机

1.1工业相机介绍

工业相机是一种特殊类型的相机，适用于恶劣条件（高温、高压和振动）的工作。它们用于控制生产周期、跟踪输送机上的单元、检测超小零件等。因此，总的来说，它们的使用范围覆盖到各个工业领域。相比于传统的民用相机而言，具有**高的图像稳定性、高传输能力和抗干扰能力等优点。当然对于我们开发人员而言最大的特点是支持编程，可以二次开发。常见的相机厂商，有海康威视，大华，美国康耐视**Cognex，德国巴斯勒Balser等等。工业相机是机器视觉系统的重要组成部分，其最本质的功能就是通过 CCD 或 CMOS 成像传感器将镜头接收的光信号转变为有序的电信号，并将这些信息通过相应接口传送到计算机主机。

打光原则：光照均匀+目标对比度强。

1.2工业相机的分类

1.2.1按照芯片工艺来分

CCD 相机，Charge Coupled Device，电荷耦合装置，其芯片基于光电效应直接以电荷量输出，光照强的像素点则所积累的电荷数越多，因此其芯片是输出的模拟信号。

CMOS 相机，Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化半导体，其对每个像素点光电效应所产生的电荷都有一个放大器，因此芯片可以直接输出为数字信号。

两者优缺点：

  1. 成像质量

CCD统一输出放大，CMOS在单个像素上完成放大，从像素点来看，用于感光的区域要远大于CMOS，毕竟CMOS上还要集成许多复杂的电路，所以CCD的画质，的确比CMOS好。CCD放大一致性高，成像质量较好。

  1. 集成性

CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片。

  1. 速度

CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，目前大部分500 FPS以上的高速相机都是CMOS相机。

  1. 噪声

CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

  • CMOS已成为绝对主流。由于其在速度、功耗、成本、集成度方面的巨大优势，加上其画质通过背照式（BSI）、堆栈式等技术的革新已得到质的飞跃，如今超过99%的市场都被CMOS占据。你手中的手机、相机几乎全部使用CMOS传感器。

  • CCD已成为“小众技术”。它并没有完全消失，但在其具备优势的特定专业领域（如需要极高线性度和低噪声的科学、医疗、工业应用）依然有生命力。不过，许多传统CCD厂商也已转向CMOS的研发。

特别注意：优先选择CCD的场景：对图像质量、低噪声要求严格的医疗、科研、高精度制造业。

优先选择CMOS的场景：高速运动捕捉、低功耗需求（如无人机、便携设备）或成本敏感型项目。

两者不存在优劣之分，根据不同需求选型；工业选型看CCD和CMOS主要看是不是高速非高速可以优先考虑CMOS

1.2.2线阵相机和面阵相机

线阵工业相机：顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图像，但极长，几K的长度，而宽度却只有几个像素的而已。线阵工业相机的典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动 , 利用一台或多台工业相机对其逐行连续扫描 , 以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图像逐行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图像进行处理。另外线阵工业相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率 , 它可以准确测量到微米。

  1. 被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。
  2. 需要极大的视野或极高的精度。我们看到的线阵相机的物体二维图像是通过多次线阵扫描组合形成的。

线阵相机的优点就是可以做很多一维像元数，而且总像元数也比面阵相机少，像元尺寸比较灵活，帧幅数高，

特别适用于一维动态目标的测量。

面阵工业相机：应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵 相机是可以获取二维图像信息，测量图像直观。

1.2.3黑白相机和彩色相机

1.3工业相机接口

一般工业相机上一共有三个接口，包括位于前方的光学接口（连接镜头）和后方的电源接口以及信号（数据）接口。

1.3.1光学接口

光学接口是指相机与镜头之间的接口，常用的镜头的镜头有C口，CS口，F口，V口，前两种都是螺纹口，后两种为卡口；相机的图像传感器在1英寸以下时，往往都会采用C接口；镜头参数中标注的靶面尺寸2/3英寸，指的就是应用该镜头的相机芯片最大不得超过2/3英寸。

    1.C接口和CS接口是工业相机最常见的国际标准接口，C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的，区别在于C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。

    2.F接口镜头是尼康镜头的接口标准（为卡口），因而又称为尼康口，一般工业相机靶面大于1英寸时必须F口的镜头。

    3.通过M72接口具有更大的卡环直径与法兰后截距，能够匹配大靶面像素相机成像。

1.3.2信号（数据）接口

相机的输出信号接口分为模拟信号接口和数字信号接口。模拟相机输出模拟信号，接口有 PAL、NTSC 等等，模拟相机需要接图像采集卡才可用于机器视觉。随着技术的发展，数字相机已经成为主流。数字相机输出数字信号，接口有 USB 2.0/3.0、CamerLink、Gige、1394a/1394b、CoaXPress 等等。同等像素条件下，各种接口的总线其相机帧率是不一样的，一般来说 Camera Link>USB3>GIGE>1394B>USB2,1394A。现在最快的是 Camera Link 总线。

  1. USB 接口

支持热拔热插、使用便捷、标准统一、可连接多个设备、相机可通过 USB 线缆供电。但没有标准的协议、主从结构，CPU占用率高、带宽没有保证。usb3.0 的接口一般都是可以自供电。但是也可以再接一个电源，假如 usb 接口供电不稳定的话，那么就可以选择外接电源来进行供电。

  1. Gige 千兆以太网接口：

Gige是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准；适用于工业成像应用，通过网络传输无压缩视频信号；拓展性好，传输数据长度最长可伸展至 100m(转播设备上可无限延长)；带宽达1Gbit，因此大量的数据可即时得到传输；可使用标准的NIC卡(或PC上已默认安装)；经济性好，可使用廉价电缆(可使用通用的Ethernet电缆(CAT-6)和标准的连接器；可以很容易集成，且集成费用低；可管理维护性及广泛应用性。

  1. Camerlink接口：

Camerlink是一种串行通讯协议。采用 LVDS 接口标准，具有速度快、抗干扰能力强、功耗低。从 Channel link 技术上发展而来的，在 Channel link 技术基础上增加了一些传输控制信号，并定义了一些相关传输标准。协议采用 MDR-26 针连接器。高速率，带宽可达 6400Mbps、抗干扰能力强、功耗低。

4.CoaXPress接口：

CoaXPress (简称CXP)是指一种采用同轴线缆进行互联的相机数据传输标准，主要用于替代之前的cameralink协议，常见于科学相机、工业相机、医学图像、航空防务等场景。之前这些场景都是使用cameralink接口的相机，cameralink 由于线缆的形式、传输速度等原因，已经不再适用于不断增长的数据带宽需求。

CXP是一个非对称的高速点对点串行传输协议，主要用于传输视频和静态图像，线缆多使用单条或多条同轴电缆。目前2.0标准的最高速度为单条lane 12.5Gbps，单条lane 上除了传输图像数据之外，还可以传输低速控制信号(42Mbps，用于访问相机的寄存器配置)、也可以利用该线缆对相机进行供电，这个能力称为 “Power-over-Coax”，单条线缆最长可达100m。（可用于长距离传输）

Gige 接口简单方便的进行多相机设置，支持 100 米线材输出。Camera Link 接口是专门针对高速图像数据需求的标准接口。USB 3.0 接口具有简单易用，实时性好的特点。目前在机器视觉中，应用最广泛的接口是 Gige(以太网)接口，以太网接口在传输速度、距离、成本等方面较其他接口具有很大的优势。

1.4工业相机参数

1.4.1分辨率

相机的传感器是有许多像素点按照矩阵的形式排列而成，分辨率就是以水平方向和垂直方向的像素来表示的。分辨率越高，成像后的图像像素数就越高，图像就越清晰。

常用的工业面阵相机分辨率有 130万、200万、500万等；对于线阵相机而言，分辨率就是传感器水平方向上的像素数，常见有 1K、2K、6K 等。

在相机分辨率的选型上，要根据我们的项目需求而定，并不一定是分辨率越高就越好，分辨率高带来的图像数据量就大，后期的算法处理复杂度就高，而且一般分辨率大的相机，帧率一般都不会太高。

1.4.2 传感器尺寸

传感器尺寸（靶面）：在像素不变情况下，相机传感器尺寸越大，噪点控制能力越强。

工业相机中的传感器也有不同的尺寸。常见的传感器尺寸包括但不限于1/4英寸、1/3英寸、1/2.3英寸、1英寸等。传感器尺寸越大，意味着感光元件的面积越大，可以捕捉更多的光线，从而提高图像质量。如果你的应用需要高分辨率、良好的低光性能，那么选择较大尺寸的传感器会更有优势；如果空间受限或者需要快速响应，则可以选择较小尺寸的传感器。

1.4.3像元尺寸

_** 像元**_：指的是图像传感器上每一个像素点的尺寸，像元尺寸越大，则单个小像素点感光越强。

有了相机分辨率和传感器尺寸，就能够计算像元尺寸。

像元尺寸=传感器尺寸/分辨率（像元个数）

这样就会分别得到宽度及高度上的像元尺寸

_像元尺寸_指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，例如3.75umx3.75um 等。像元尺寸从某种程度上反映

了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产

生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。是不是有些迷惑了，听起来感

觉和前面所说的相机分辨率很像，前面的相机分辨率值越小，分辨率高，这里是像元尺寸越大， 灵敏度越高。

是两个不同的概念。

1.4.4最大帧率

** 帧率**：每秒钟相机采集图像的最大张数，相机帧率越高，每秒钟可采集图像的最大数量越多。每张图像的采集耗时越短。

相机的实时帧率由以下 5 个因素共同决定：

1.帧读出时间：该参数与相机传感器本身特性有关，同时也受图像高度的影响。图像

高度越小，帧读出时间越短，帧率越高。

 2.曝光时间：若曝光时间大于相机最大帧率的倒数，曝光时间越小，帧率越高；若曝

光时间小于等于相机最大帧率的倒数，则曝光时间对帧率没有影响。

 3.带宽：带宽越大，单位时间内支持传输的数据越多，帧率越高。

 4.像素格式：不同像素格式所占的字节数不同。同样环境下，像素格式所占的字节数

越多，相机帧率越低。

 5.图像无损压缩功能：该功能可将相机的图像数据压缩后传给 PC，再配合我司 SDK

进行解析输出原始图像数据。可一定程度提升帧率。

最大帧率表示的是面阵工业相机每秒能够采集并输出的最大帧数，这往往和传感器芯片和数据输出接口带宽有关。根据项目需求，对于拍摄运动物体，建议选取高帧率相机，具体帧率数要根据拍摄精度来确定。

1.4.5动态范围

动态范围是用来描述每个像素能够分辨出的灰度等级。它是饱和电压（最大的输出电平）相机输出的噪声之比。宽动态范围能够使场景中非常亮和非常昏暗部分的细节同时被清晰的显示。一般来说，低动态范围的相机噪声比较多，照片会缺失亮部细节和暗部细节。

1.4.6信噪比

信噪比（SNR）就是有用信号强度与噪声强度的比值；SNR高（如41 dB）：信号远强于噪声。图像看起来干净、平滑、细节扎实，像清澈见底的水；SNR低：噪声强度接近甚至超过信号。图像看起来布满噪点、模糊、细节丢失，像浑浊的水。信噪比越高，则意味着噪声抑制越好

1.4.7增益

增益（Gain）的作用是放大传感器输出的电信号，从而提升图像的亮度。然而，增加增益的同时也会引入更多的噪声，进而影响图像质量(在放大有用信号的同时，噪声也会被等比例放大)。具体来说，当增益增加时，图像会变得更亮，但同时也会出现噪点，导致图像质量下降；而减少增益则会使图像变暗，但能够减少噪声，使图像更加清晰.

1.在光照条件不佳的环境下，适当增加增益可以有效地提高图像的亮度，但需要注意不要过度使用，以免引入过

多的噪点。

2.0 dB ~ 24 dB:相机总的增益调节能力。从无放大（0 dB，信噪比最佳） 到最大放大24 dB（图像最亮，但噪点最多）。

3.对于Sony IMX297这类现代工业传感器，其增益控制通常是 “模拟增益为主，数字增益为辅” 的混合模式。

在中低增益段（例如0 dB ~ 12 dB或18 dB），相机主要使用模拟增益。这是画质优先的可用范围，能有效提亮图像同时保持相对较好的信噪比。

当模拟增益达到传感器电路的设计上限后，如果需要继续提高总体增益（从例如18 dB到24 dB），则会启用数字增益来补足。这段范围的画质下降会更为明显。

4.基本原则：先曝光，后增益

最优画质：尽可能通过增加光照或延长曝光时间来获得足够亮的图像，将增益保持在0 dB或尽可能低。这是获得最佳信噪比和动态范围的方法。

动态场景：当拍摄物体运动较快，曝光时间不能太长时，才需要适当提高增益来保证图像亮度。

1.4.8 曝光时间

曝光时间：也叫快门速度，电子快门打开采集信息的时间，曝光时间越长，图像越亮，但同时，抗震动能力越差，对运动物体拍摄时曝光时间越长拖影越明显。过长的曝光时间会使得相机帧率下降。工业相机曝光时间可从1μs至10s不等。

1.4.9行曝光（卷帘）与帧曝光（全局）

工业相机常见的曝光方式有帧曝光（global shutter） 和行曝光（rolling shutter）。

  1. 帧曝光是指传感器陈列中所有像素同时曝光，曝光周期由预先设定的快门时间确定。这种曝光方式的相机适合拍摄运动物体，图像不会偏移，不会失真。

  1. 行曝光是指同一行上的像素同时曝光，不同行的曝光起始时间不同，每行的曝光时间是相同的，行间的延迟不变。这种曝光方式的相机适合拍摄静止的物体。

1.4.10触发方式

** 软触发**：由软件指令发起的触发，异步、较慢、灵活性高。

** 硬触发**：由物理电信号发起的触发（一般相机需要接触发线），同步、极快、确定性高、可靠性强。

1.4.11采集模式

单帧采集

  • 定义：每收到一个有效的触发信号（无论软或硬），相机就拍摄一张（且仅一张）图片，传输出去，然后回到等待状态，等待下一个触发信号。
  • 工作流程：“触发 → 拍1张 → 停止 → 等待下次触发”。

连续采集

  • 定义：收到一个启动信号后，相机开始不间断地、以最大能力或设定帧率进行拍摄和传输，直到收到停止信号（相机进行连续曝光，输出实时图像。）。
  • 工作流程：“开始命令 → 连续拍 → 停止命令”。

1.4.12白平衡

1.4.12.2白平衡定义

** 白平衡是彩色相机为了在不同光源下还原物体“真实白色”和所有色彩而进行的一项关键色彩校正，它的核心是解决“光源颜色”对“物体颜色”的干扰问题**，确保你看到的图像颜色与人眼感知或物体本身的颜色一致。

光有不同的“颜色”，科学上用色温（单位：开尔文，K）来描述：

  • 低色温（约2000K-4000K）：光偏黄、红。如白炽灯、烛光、日出。
  • 高色温（约5000K-8000K）：光偏蓝、白。如正午日光、阴天、荧光灯。

人脑非常智能，能自动“过滤”掉光源的颜色。比如一张白纸，无论在暖黄的台灯下还是冷白的日光灯下，我们都会认为它是“白色”的。但相机的传感器是“愚钝”的，它会忠实地记录下环境光给白色物体染上的颜色。

1.4.12.2白平衡校正的一般步骤
  1. 识别“白色”参考物：相机会在场景中寻找本应是中性色（白、灰）的区域作为参考点。这可以是：
    • 自动模式：相机算法自动猜测。
    • 手动预设：你告诉相机当前环境（如“日光”、“阴天”、“白炽灯”模式）。
    • 自定义白平衡：你拿一张纯白或中灰的卡片放在镜头前，让相机对其测量，以此为基准。
  2. 分析颜色偏差：相机会测量这个“白色”参考物在图像中呈现出的颜色值（RGB比例）。在标准白光下，白色的R、G、B值应该大致相等。如果光源偏黄（低色温），图像中的“白色”就会R（红）和G（绿）值偏高，B（蓝）值偏低。
  3. 进行数学补偿：相机根据测得的偏差，反向调整整个图像的RGB通道增益。以上述偏黄光源为例，相机会降低R和G通道的增益，同时提高B通道的增益，直到那个参考区域在图像中的R、G、B值重新相等，变成中性灰/白。

以海康相机的白平衡为例：

1.4.13gama

** 伽马（Gamma）是描述图像信号（从传感器捕获到屏幕显示）中间亮度非线性映射关系的一个核心参数。** 它不是一个物理单位，而是一个幂函数指数，用于对图像的灰度/亮度进行编码、传输和解码，以优化视觉感知和存储效率。伽马是调整图像“中间调”明暗对比度的一把标尺，它不改变纯黑和纯白，主要影响灰色区域的亮暗。

伽马值通常是一个大于0的数字。

  • 伽马 = 1：输入与输出是线性关系。传感器记录多少，就输出多少。这在技术上是准确的，但视觉上看起来整体发暗、对比度不足，因为人眼对暗部更敏感。
  • 伽马 < 1：曲线向上拱起。提升中间调和暗部的亮度，使阴影更明亮、细节更清晰，但可能让图像看起来“发灰”、对比度低。
  • 伽马 > 1：曲线向下弯曲。压暗中间调和暗部，增加中间调的对比度，让图像看起来更“扎实”、“有冲击力”，但会损失暗部细节。

1.4.14 光谱响应特性

光谱频响特性就像是传感器对不同颜色光的敏感程度。一个好的传感器应该能够均匀地响应可见光谱中的各种颜色，这样才能拍摄出真实、自然的图像。如果你需要特定的颜色表现，就需要根据传感器的光谱频响特性来选择合适的设备。

1.5接线

  • 在相机的后端，是相机的数据传输接口与供电、IO信号接口。
  • 如果工业相机采用的传输协议不带供电，则需要借助外接电源实现相机供电。
  • 通过USB3.0协议因本身带有供电，所以USB3.0相机能够不用外接供电电源。

常见的接口有6-pin和12pin:

  • 6-pin： OPTO_IN 和 OPTO_OUT 各自与一个公共的 OPTO_GND 构成回路（单端信号）。
  • 12-pin： OPT_IN+/OPT_IN- 和 OPT_OUT+/OPT_OUT- 是成对出现的。这种设计将信号电流的“去路”和“回路”紧紧耦合在一起，对外部电磁干扰具有天生的抑制能力，特别适合长距离传输和极端嘈杂的工业环境。

具体接线按照相机说明书来，不同相机有差异！

6pin（左为海康，右为opt）:

  • DC_PWR： 相机工作电源输入正极（通常是12V或24V DC）。
  • OPTO_IN： 光耦隔离输入。外部设备（如传感器、PLC）通过这个引脚给相机发送信号。
  • OPTO_OUT： 光耦隔离输出。相机通过这个引脚向外发送信号（如曝光完成、拍照就绪）。
  • OPTO_GND： 光耦隔离信号的公共参考地。专门为OPTO_IN和OPTO_OUT回路提供电流返回路径。必须与外部信号源的地相连，但与**Pin 6 (GND)**在相机内部是隔离的。
  • GND： 相机电源地。是DC_PWR的返回路径，也是相机主板的地。
  • GPIO： 通用输入/输出。此引脚功能可通过软件配置为输入（如另一个触发源）或输出（如控制一个指示灯）。

12pin（左为海康，右为opt）:

相机主电源 (为相机大脑供电)

  • **Pin 2 (红), Pin 3 (白/蓝): ****DC_PWR**
    • 说明：相机工作电源正极（通常为+12V或+24V DC）。用两个引脚并联是为了承载更大电流（尤其是功耗较高的相机），并提高连接可靠性。
  • **Pin 1 (黑), Pin 6 (白), Pin 7 (棕): ****GND**
    • 说明：相机电源地（负极）。用三个引脚并联，目的同样是提供大电流回路和可靠性。它们都与相机主板的地相连。

小结：电源部分（DC_PWR 和 GND）构成了为相机核心（传感器、处理器）供电的第一独立回路

差分光耦隔离I/O (专业级信号交互通道)

  • 光耦隔离输入通道**：**
    • **Pin 12 (黄): ****OPT_IN+**
      • 说明**：光耦隔离输入的正极（信号线）。对应内部映射 **Line 0+**。**
    • **Pin 4 (白/绿): ****OPT_IN-**
      • 说明**：光耦隔离输入的负极（返回线）。对应内部映射 **Line 0-**。**它不再是公共地，而是专属于**OPT_IN+**的回路。
  • 光耦隔离输出通道**：**
    • **Pin 11 (紫): ****OPT_OUT+**
      • 说明**：光耦隔离输出的正极（信号线）。对应内部映射 **Line 1+**。**
    • **Pin 5 (灰): ****OPT_OUT-**
      • 说明**：光耦隔离输出的负极（返回线）。对应内部映射 **Line 1-**。专属于 **OPT_OUT+** 的回路。**

关键理解：这里的“+”和“-”不是正负电源，而是指差分信号对。对于输入，电流从外部设备流入 **OPT_IN+**，从 **OPT_IN-** 流出返回外部设备。输出同理。这两个引脚在物理上走线紧密，能有效抵抗共模干扰。

RS-232串口 (用于配置与控制)

  • **Pin 8 (橙): ****232_RXD**
    • 说明**：Receive Data，相机接收数据的引脚。应连接到外部设备（如PLC、工控机）的TXD引脚。**
  • **Pin 9 (蓝): ****232_TXD**
    • 说明**：Transmit Data，相机发送数据的引脚。应连接到外部设备的RXD引脚。**
  • 重要提示：RS-232标准需要共地。这个接口没有单独的 **232_GND** 引脚，因此必须将相机的一个 **GND** 引脚（如Pin 1,6,7）连接到外部串口设备的 **GND**，通信才能正常工作。

通用GPIO (额外可配置接口)

  • **Pin 10 (绿): **GPIO2** / ****Line 2+**
    • 说明：一个可通过软件配置为输入或输出的通用接口。它通常不是光耦隔离的，其参考地是相机的 GND（如Pin 1）。使用时需注意外部信号电压不能超过其承受范围。

2.光源和光源控制器

对于机器视觉来讲，光源看起来只能说是个机器视觉中的一个小配件，其扮演的角色，还不是“男一号”，“女一号”。但光源的作用依然不可或缺而且即为重要。机器视觉系统的核心是图像的采集和处理，图像本身的成像质量对整个视觉系统极为关键。光学光源则是影响机器视觉系统成像质量的重要因素，好的光源和照明效果对视觉判断影响是很大的。

通过适当的光源照明设计，使图像的目标信息与背景信息得到最佳的分离，最大程度增强感兴趣区域的对比度，抑制和减少目标上其他部分的影响，抑制外部环境的影响，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使得系统的可靠性和综合性能得到提高。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统的设计的成败是决定系统成败的首要因素。

工业光源的核心作用是通过优化光照条件提升图像质量，从而确保工业视觉检测系统的精度和稳定性。

具体作用包括：

1、提高目标物体成像的清晰度和对比度：

通过足够的亮度和均匀的光线分布，弥补环境光的不足，突出被测物体的细节特征（如表面划痕、尺寸轮廓等）。

例如，背光源可清晰呈现物体边缘轮廓，暗场照明能增强表面缺陷的对比度。

2、克服环境干扰并稳定成像效果：

消除或减少外界光波动的影响，确保图像采集的一致性，避免因光照变化导致的误检。

例如，红外光源可穿透材料表层检测内部结构，偏振光源能抑制金属表面的反光干扰。

3、简化图像处理算法复杂度：

合理的照明设计能预先分离目标与背景信息，减少后续图像处理的计算量，提升系统整体效率。

环形光源通过多角度照射突出物体三维特征，降低轮廓识别算法的难度。

4、适应不同检测场景的特殊需求：

通过光源颜色、角度、类型的灵活配置，满足微观检测（如PCB基板）、半透明物体（如玻璃瓶）或高速产线的 差异化需求。

这类光源的应用与 机器视觉系统 高度关联，其选型需综合考虑被测物体的材质特性（如金属、塑料）和检测目标（如尺寸测量、缺陷识别）。例如 环形光源 常用于电子元件检测，同轴光源 更适合高反光材料的表面分析。

2.1光源的选择标准

光源的选择标准如下：

  1. 光源均匀性要好，在有效的照射范围内，灰度值标准差要小；
  2. 具有较宽的光谱范围，可以对不同材料的物体进行检测；
  3. 光照强度要足够，提高信噪比，利于图像处理；
  4. 具有较长的使用寿命及较高的稳定性，要保障光源在长时间运行状态下能够持续稳定的提供照明环境；
  5. 成本低，易根据现场情况定制特殊形状光源。

2.2光源的分类

光源从大类上可分为普通自然光和人造光源，由光照强度、色温及光源的几何形状来描述。在理想情况下，为使采集到的图像达到高质量的要求，需要依据待检测目标的颜色、材质和形状，考虑所需光源的强度、光路和光谱等特性。在实际应用中，应优先选择明场照明方式，从而可以抑制自然光源及外界环境的干扰。常用光源及相关特性如表所示：

类型光效(lm/W)平均寿命/(h)色温/K特点
卤素灯12~2410002800~3000发热量大，价格便宜，形体小
荧光灯50~1201500~30003000~6000价格便宜，适用于大面积照射
LED灯110~250100000全系列功耗低，发热小，使用寿命长，价格便宜，使用范围广
氙灯150~33010005500~12000光照强度高，可连续快速点亮
激光50000全系列具有良好的方向性、单色性与相干性

其中，LED 光源具有发热少、功耗低、寿命长、光谱范围宽、发光强度高、反映速度快（10us 或更短时间达到最大亮度）、电源带有外触发可以通过计算机控制起动速度快作为频闪灯等优点，且可组合多样化的外形。因此，常使用 LED 作为照明光源。

LED照明种类繁多，大体上可以分为如下三种：

  1. 镜 面反 射 型：镜 头 接 收 的光 线 是 来自拍 摄 对 象 的 镜 面反 射 光 线。

  1. 漫 反 射 型：避 开 来自拍 摄 对 象 的 镜 面反 射 光 ，而 接 收 整 体、均 一 的光 线。

  1. 透 射 型：接 收 来自拍 摄 对 象背景 的光 线。是 一 种 检 测 轮廓 的照明方 式。

在某些特定的检测场合下，光源颜色的不同会对最后的成像结果产生不同的影响。

光源的颜色特性主要体现在以下两个方面：

  1. 色表：人眼直接观察光源所看到的颜色，即光源发出光的颜色。
  2. 显色性：光源发出的光照到物体上后，反（透）射光显现物体颜色的能力。

根据光源的颜色特性，可以依据具体的检测目标来选择最合适的光源，不同颜色的光是由其波长决定的，光谱特性图如图所示。

:::info 光源颜色及其适用场景

1、白色光源：白色光源是最常用的一种，能够提供较为均匀的全光谱照明，真实还原物体的

颜色和表面细节。适用于大多数的工业视觉检测场景，如物体的外观检测、尺寸测量、缺陷检

测等，对颜色和纹理的识别效果较好

2、红色光源：红色光的波长较长（红色光源的波长通常在600-720之间），穿透能力较强（可以透过一些比较暗的物体，例如底材黑色的透明软板孔位定位、绿色线路板线路线路检测，透光膜厚度检测等，采用红色光源更能提高对比度），适用于深色背景或对红色物体进行检测的场合。红色光源的散射较小，能够形成清晰的阴影和轮廓，有助于突出物体的边缘和形状。例如，在红色塑料零件检测中，使用红色光源可以减少背景干扰，更好地凸显零件的轮廓和表面特征。

3、蓝色光源：蓝色光源的波长较短（波长范围在430-480之间），分辨率高，特别适合高精度测量的场景。广泛用于金属材质的产品，如钢轨，冷轧带钢，船舶加工件、手机外壳等。例如，在需要

高精度测量的应用中，蓝色光源可以提供更清晰的图像。

4、绿色光源：绿色光源波长510-530，界于红色与蓝色之间，主要针对产品：红色背景产品，银色背景产品（如钣金，车加工件等）；同时，绿色光源人眼敏感度高、色彩还原度好，广泛应用于颜色识别领域。例如，在需要准确识别颜色的应用中，绿色光源可以提供更好的效果‘。

5、红外光源：红外光的波长一般为780-1400，大多采用940波长的红外光，红外光属于不可见光，其透过力强。一般LCD屏检测、视频监控行业应用比较普遍；红外光源的射现象较少，适合金属表面划痕检测等方面。

6、紫外光源：紫外光源同样在人眼不可见范围内，紫外光的波长一般为190-400，主要采用385波长的紫外光，其波长短，穿透力强，主要应用于证件检测、触摸屏ITO检测、布料表面破损、点胶溢胶检测等方面，金属表面划痕检测等。

选择光源颜色的原则和方法

1、根据被测物体的颜色选择光源颜色：选择与被测物体颜色相邻或互补的光源颜色，可以显

著提升图像的对比度。例如，红色光源适合金属表面缺陷检测，因为红色光穿透力强，抗干扰

性好；而蓝色光源则因其波长短、分辨率高，适合高精度测量场景

2、考虑光照方式和环境因素：不同的光照方式（如直射光、漫射光、同轴光源、背光源等）

适用于不同的检测需求。例如，直射光适用于需要突出物体轮廓的场景，而漫射光则适合表面

形状不规则或反光物体的检测

:::

2.3不同类型的光源

2.3.1环形光源

环形光源：提供不同照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度 LED阵列，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫反射板导光，光线均匀扩散。应用领域：PCB 基板检测，IC 元件检测，显微镜照明，玻璃晶体定位，塑胶容器检测，集成电路印字检查。

2.3.2条形光源

条形光源：**是较大方形结构结构被测物的首选光源；**颜色可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。应用领域：金属表面检查，图像扫描，表面裂痕检测，LCD 面板检测等。

2.3.3同轴光源

同轴光源：可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。应用领域：系列光源最适宜用于反射度极高的物体，如金属，玻璃，胶片，晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，Ｍark 点定位，包装条码识别。

2.3.4 背光源（面光源）

背光源：用高密度 LED 阵列面提供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。红白两用背光源，红蓝多用的背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物体多色要求。应用领域：机械零件尺寸的测量，电子元件、IC的外型检测，胶片污点检测，透明物体划痕检测等。

2.3.5 线光源

超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。应用领域：线阵相机照明占用，AOI占用。

2.3.6无影光源

   无影光源又叫**积分光源**，大致可分为五类，环形无影光源，方形无影光源，平面无影光源，球形无影光源及四面无影光源。具有较大的光扩散性，能够保证光源全方位照射于被测物体上，对于表面起伏大，反光性强的物体也有很强的应用性。应用领域：用于芯片检测，PCB板的检测。

2.3.7 点光源

点光源：大功率LED，体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等。高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。应用领域：适合远心镜头使用，用于芯片检测，Ｍａｒｋ点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

2.3.8 紫外光源

发光 LED 发出人眼不可见的紫外光源。该光源波长极短，对荧光粉极为敏感。适用于涂有荧光粉的涂胶检测，及涂有荧光粉的缺陷检测。但要注意紫外光对人眼及身体有一定的伤害，另外紫外光源并不是所有相机都能够感应到，相机选型时应该注意。

2.3.9红外光源

发光 LED 发出人眼不可见的红外光源，可以有效避免强光污染。红外的波长较长，穿透性也较强，所以反射精细度较差。适合检测精度不高，不能接受强光的场景。应用领域：不能接受强光污染的场景。

:::info 条光选型：

1、条光照射宽度最好大于检测的距离，否则可能会照射距离远造成亮度差，或者是距离近而幅射面积不够；

2、条光长度能够照明所需打亮的位置即可，无须太长造成安装不便，同时也增加成本,一般情况下，光源的安装高度会影响到所选用条光的长度，高度越高，光源长度要求越长，否则图像两侧亮度比中间暗；

3、如果照明目标是高反光物体，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光产品，也可以拆掉漫射板以提高亮度；

4、条型光适合高反光表面，提升局部纹理对比度。

环光选型：

1、了解光源安装距离，过滤掉某些角度光源；例如要求光源安装尺寸高，就可以过滤掉大角度光源，选择用小角度光源，同样，安装高度越高，要求光源的直径越大；

2、目标面积小，且主要特性在表面中间，可选择小尺寸0角度或小角度光源；

3、目标需要表现的特征如果在边缘，可选择90度角环光，或大尺寸高角度环形光；

4、检测表面划伤，可选择90度角环光，尽量选择波长短的光源；

5、适合表面高度差异的检测，突出边缘。

条形组合光选型：

1、条形组合光在选择时，不一定要按照资料上的型号来选型，因为被测的目标形状、大小各不一样，所以可以按照目标尺寸来选择不同的条形光源进行组合；

2、组合光在选择时，一定要考虑光源的安装高度，再根据四边被测特征点的长度宽度选择相对应的条形光进行组合；

背光源/平行背光源选型：

1、选择背光源时，根据物体的大小选择合适大小的背光源，以免增加成本造成浪费；

2、背光源四周一条由于的外壳遮挡，因此其亮度会低于中间部位，因此，选择背光源时，尽量不要使目标正好位于背光源边缘；

3、背光源一般在检测轮廓时，可以尽量使用波长短的光源，波长短的光源其衍射性弱，图像边缘不容易产生重影，对比度更高；

4、背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳的效果，并非离得越近效果越好，也非越远越好；

5、检测液位可以将背光源侧立使用；

6、圆轴类的产品，螺旋状的产品尽量使用平行背光源；

同轴光选型：

1、选择同轴光时主要看其发光面积，根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光；

2、同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右,因为同轴光的光路设计是让光路通过一片45度半反半透镜改变,光源靠近灯板的地方会比远离灯板的亮度高,因此,尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀;

3、同轴光在安装时尽量不要离目标太高，越高，要求选用的同轴光越大，才能保证才均匀性；

4、消除表面反射，适合镜面物体。

平行同轴光选型：

1、平行同轴光光路设计独特，主要适用于检测各种划痕；

2、平行同轴光与同轴光表现的特点不一样，不能替代同轴光使用；

3、平行同轴光检测划伤之类的产品，尽量不要选择波长长的光源；

镜头点光源选型：

适合微小特征的高对比检测。

其他光源选型要领：

1、了解特征点面积大小，选择合适尺寸的光源；

2、了解产品特性，选择不同类型的光源；

3、了解产品的材质，选择不同颜色的光源；

4、了解安装空间及其他可能会产生障碍的情况，选择合适的光源；

:::

2.3.10 频闪光源

理想情况：光源脉宽包含住相机曝光。

频闪光源和常亮光源与光源控制器类型需要对应。

频闪光源控制器：

频闪光源：以极高的频率（通常远超人眼分辨的24Hz）进行**“亮-灭-亮-灭”** 脉冲式发光的可控光源。其“开”的时间（脉冲宽度）可以极短（微秒甚至纳秒级）。

频闪光源的工作原理是：脉冲式发光，同时，外部触发同步。即通常由视觉系统（相机/控制器）发出一个触发信号，光源在接收到信号的瞬间亮起，并与相机曝光时间精确同步，因此，这类光源瞬时亮度极高。由于能量在极短脉冲内释放，在相机捕捉的瞬间，其有效亮度可远超同功率常亮光源；同时发热量小。因为大部分时间处于“灭”的状态，有效降低了热负荷；因此，这类光源的寿命极长。LED的寿命主要受限于工作结温，低发热使其寿命大幅延长。

本类光源比较适用与外部触发的飞拍。它的主要应用场景有：

1.冻结”高速运动：

** 原理**：通过极短的脉冲宽度（如1微秒），相当于把“闪光灯”打在高速运动的物体上，彻底消除运动模糊。

** 应用**：生产线上的快速传送带检测、旋转瓶盖字符检测、振动部件分析、轧钢钢板表面检测等。

2.克服环境光干扰：

** 原理**：在黑暗的脉冲间隔期，环境光会被相机积分（曝光），但强度很弱。当光源脉冲亮起时，其瞬间强度远超环境光，从而在图像中占据绝对主导。

** 应用**：车间环境光复杂、窗户边有自然光变化的场景。

3.提升信噪比与对比度：

** 原理**：高瞬时亮度使目标特征更突出，同时相机在短曝光下读取的暗电流噪声更低。

** 应用**：对图像对比度和清晰度要求极高的精密测量、缺陷检测。

4.节能与长寿命：特别适合需要长时间运行的工业现场。

3.镜头

镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。

下图左一的型号为 焦距 50mm 最大光圈为F1.6 镜头的像面尺寸为3/2英寸（最大能够兼容CCD芯片尺寸）

照相机的镜头由多个镜片和光圈/调焦装置构成。根据监视画面进行光圈调整和调焦，可以得到“明亮、清晰”的图像。（有些镜头的调整装置是固定的）

3.1 镜头的分类

镜头的主要分类是

按功能分类：定焦镜头、变焦镜头

按视角分类：标准镜头、广角镜头、远摄镜头

按焦距分类：短焦距镜头、中焦距镜头、长焦距镜头

按用途分类：普通镜头、微距镜头、远心镜头

3.2 镜头参数讲解

3.2.1工作距离

镜头工作距离（WD）：一般是指 镜头物方端面 到 被拍摄物体表面 的物理距离。

光源工作距离（LWD）：一般是指 光源物方端面 到 被照射物体表面 的物理距离。

3.2.2 视场（FOV）

视场（FOV）也称视野,是指能被视觉系统观察到的物方可视范围大小

对于镜头而言，可观察到的视场跟镜头放大倍率及相机芯片选择有关。因此通常建议根据被观察物体的尺寸，先确定所需的视场，再确定相机芯片尺寸及镜头放大倍率。在实际工程项目中，考虑到机械误差等问题，视场通常要大于待观测物体的实际尺寸，以确保在机械误差的范围内，物体始终位于视觉系统的可视范围内。

视场（FOV）：指的是在某个特定工作距离下，镜头所能拍到的实际物体平面的范围。它是一个长度单位，比如毫米、米。它的值随着工作距离的变化而变化。

公式：FOV（物方尺寸） = （传感器尺寸 / 焦距） × 工作距离

例子：用这个6mm镜头，在1米远的地方，水平视野（HFOV）大约是 (7.38mm / 6mm) * 1000mm ≈ 1230mm，即约1.23米宽。

3.2.3镜头的接口

目前最普遍使用的接口是 C - MOUNT 和 CS - MOUNT 。

C - MOUNT

  C - MOUNT 即 C 接口镜头，是目前机器视觉系统中使用最广泛的镜头、具有重量轻、体积小、价廉、品种

多等优点，它的接口螺纹参数为：公称直径＝1英寸，爆距＝32牙（1-32UN)。

CS - MOUNT

CS - MOUNT 即 CS 接口，是为新的 CCD 相机而设计的。随着 CCD 集成度越来越高，相同分辨率的光敏阵

列越来越小，设计的 CS - MOUNT 更适用于有效光敏传感器尺寸更小的相机。

除了普遍的 C 接口和 CS 接口外，还有用于大分辨率面阵相机及线阵相机的 F 接M2接口，M72接口及用于靶面较大或特殊镜头的 V 接口。 F 接口是尼康镜头的接口标准，又称尼康口，一般靶面尺寸大约为1英寸的工业相机需要用 F 接口的镜头。

  C 接口和 CS 接口的区别仅仅在于镜头的安装基准面到焦点的距离不同。 C 接口的距离是17.526 mm ，而CS 接口是12.5mm。它们之间相差约5mm。因此，具有 CS 接口的相机，可以与 C 接口或 CS 接口的镜头连接，但使用 C 接口镜头时需加装一个接圈；具有 C 接口的相机只能与 C 接口的镜头连接，而不能与 CS 接口的镜头连接，否则不但不能获得良好的聚焦，还有可能损坏 CCD 靶面（部分 C 接口相机可以拧掉接圈转换成 CS 接口）。但有一个例外，即 C 接口的3CCD相机不能和 C 接口的镜头协同工作。

3.2.4畸变

畸变（Distortion）也称为失真 ，畸变镜头在成像时，特别是用短焦距镜头拍摄大视场，图像会产生形变，这种情况叫做镜头的畸变，这是由于镜头的光学结构和成像特性导致的，原因是由于视野中局部放大倍数不一致造成的图像扭曲。拍摄的视场越大，所用的镜头的焦距越短，畸变的程度就越明显，一般有桶型畸变和枕型畸变两种，可以通过图像标定减弱这种平面畸变的影响。

3.2.5F数

在镜头参数中，**F数**（也称为**光圈值**或**F-Stop**）是一个最核心的光学参数，它直接决定了镜头的两大关键性能：**进光量**和**景深**。

在上图的参数中，表示这颗镜头的光圈大小可以在F2.8到F16的范围内调节。

  • F2.8 是它的最大光圈（最开的状态）。
  • F16 是它的最小光圈（最收的状态）。

也就是说，F数小 = 光圈大；F数大 = 光圈小。

F数主要有两个最核心的影响。

1.控制进光量（曝光的核心）

光圈是控制进入相机光线多少的“闸门”。

  • F2.8（大光圈）：闸门开得大，单位时间内进入的光线多。适用于光线较暗的环境（如室内、夜晚），可以在不使用高ISO（减少噪点）和慢速快门（防止抖动）的情况下获得正确曝光。
  • F16（小光圈）：闸门开得小，单位时间内进入的光线少。适用于光线非常明亮的环境（如正午户外），防止照片过曝。

重要规律：F数每增大一档（如从F2.8到F4），进光量减半。F2.8的进光量是F4的2倍，是F8的8倍。

2. 控制景深（虚化效果）

景深是指画面中清晰的范围。

  • F2.8（大光圈）：会产生非常浅的景深。主体清晰，前景和背景强烈虚化。常用于突出主体，拍出有艺术感的特写。
  • F16（小光圈）：会产生非常大的景深。从近处到远处的景物都很清晰。常用于风景摄影、建筑摄影或工业检测，需要整个画面细节都清楚。

3.2.6靶面（像面尺寸）

** 靶面**，更准确的叫法是 “像面尺寸” 或 “成像圈直径”，指的是镜头后方的光线能清晰成像的一个圆形区域的最大直径。简单来说，它描述的是镜头能覆盖的成像范围大小。

靶面的核心规则是：**镜头的靶面尺寸必须 ≥ 相机的传感器尺寸。**

** ** 在镜头靶面 ≥ 传感器尺寸（理想状态）的情况下，** **镜头投射出的清晰像圈完全覆盖了传感器的矩形区域，画面中心到边缘都清晰明亮，没有暗角或画质劣化。如果选小了，会出现遮挡黑边的情况。

3.2.7焦距

在上面的镜头的参数表里，焦距 6 mm ，这里面的焦距是指从镜头的光学中心（主点）到光线聚焦的成像平面（传感器）之间的距离，当镜头对焦在无限远时。

它描述了镜头“折光能力”的强弱。

  • 数字小（如6mm）：折光能力强，光线偏折角度大，能在很近的距离形成大视野的图像 → 广角镜头。
  • 数字大（如100mm）：折光能力弱，光线偏折角度小，需要更长的距离才能形成图像 → 长焦镜头。

3.3远心镜头

远心镜头（ Telecentric ）主要是为纠正传统工业镜头视差而设计的，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍数不会变化，这对被测物体不在同一物面上的情况是非常重要的。远心镜头由于其特有的平行光路设计，一直被对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。设计远心镜头的目的是消除由于被测物体（或 CCD 芯片）与镜头距离不一致，造成放大倍率不同的影响。

所以，远心镜头的优点有：（1）最突出特点是消除透视误差；（2）通常远心镜头的畸变都非常小；（3）通常远心镜头的相对照度都很好。当然，也有缺点就是由于远心光路限制，远心镜头的镜筒直径>FOV.因此当被测物很大时，远心镜头体积会非常庞大，成本也高。

远心镜头和相机的匹配选择原则和普通工业镜头相同，只要其镜头的规格大于或等于相机的靶面即可。使用过

程中需注意，在远心镜头的物镜垂直下方区域内的像都是远心成像，而超出此区域的像就不是严格意义上的远心成

像了，这点在实际的使用中一定要注意，否则会产生不必要的偏差。基于远心镜头的原理特征及独特优势，在以下

六种情况下，最好选用远心镜头：

(1）需要检测有厚度的物体（厚度＞FOV直径/10）

(2）需要检测不在同一平面的物体。

(3）物体到镜头的距离未知。

(4）需要检测带孔径的三维物体。

(5）需要低畸变率且图像的亮度完全一致。

(6）缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到。

3.4 偏振片

偏振片是一种能够选择性地透过振动方向特定光的光学元件。

在机器视觉中，偏振片主要用于处理高反光、表面眩光、以及需要获取材料内部应力或表面材质信息的场景。如下示例：

1.消除透明介质表面的反射眩光

2.塑料表面反光

但需要注意的是，偏振片会过滤掉约50%-75%的光线。使用时通常需要增加光源亮度或增加相机曝光时间，否则图像会变暗。

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