成像系统基础：相机选型、镜头参数与光源选择
大家好，我是老张。今天咱们聊聊成像系统里最核心的三个东西：相机、镜头、光源。很多刚入行的朋友觉得这玩意儿就是选个贵的就行，其实不然。我在产线上见过太多「好马配错鞍」的案例了。
说白了，视觉定位的成败，一半以上取决于成像质量。而成像质量，就是这三者配合的结果。咱们一个一个说。
一、相机选型：CCD 还是 CMOS？
这个问题，十年前大家还会争论一下。现在嘛，工业领域 CMOS 已经占了绝对主流。我个人习惯是：除非客户指定要 CCD，否则一律用 CMOS。
为什么？CMOS 功耗低、帧率高、成本也便宜。而且现在的全局快门 CMOS，拖影问题已经控制得很好了。我记得2018年做一条手机中框检测线，用的就是某品牌的全局快门 CMOS，在产线节拍 0.8 秒的情况下，抓拍移动中的工件一点问题没有。
选相机时，我建议你重点关注这几个参数：
- 分辨率：不是越高越好。精度要求 0.1mm，视野 100mm×80mm，那 1280×1024 就够用了。分辨率太高反而拖慢处理速度。
- 帧率：产线节拍决定了帧率下限。比如节拍 1 秒，那相机帧率至少 15fps 以上，留点余量。
- 靶面尺寸：1/1.8 英寸、2/3 英寸是主流。靶面越大，感光越好，但镜头也越贵。
- 快门方式：拍运动物体，必须用全局快门。卷帘快门拍快速移动的工件，图像会变形。
黑白还是彩色？
做定位、测量、尺寸检测，用黑白相机。彩色相机多一个拜耳阵列，分辨率会打折扣，而且处理速度慢。只有需要识别颜色（比如区分不同颜色的物料）时才用彩色。
💡 我个人经验：选相机时，先定分辨率，再定靶面，最后看帧率。别一上来就盯着最贵的型号。
二、镜头参数：焦距、光圈、景深
镜头这东西，很多人觉得就是个放大镜。其实它决定了你能不能看清、看全、看准。
2.1 焦距
焦距决定了视场角。焦距越短，看得越宽；焦距越长，看得越远越细。我一般这样估算：
焦距 = 工作距离 × 靶面宽度 / 视野宽度举个例子：工作距离 200mm，靶面宽度 6.4mm（1/1.8英寸），想要视野宽度 100mm。那焦距 ≈ 200 × 6.4 / 100 = 12.8mm。选 12mm 或 16mm 的镜头都行。
嗯，这里要注意：实际选型时，镜头焦距是定值，常见的有 8mm、12mm、16mm、25mm、35mm。没有 12.8mm 这种规格。
2.2 光圈
光圈用 F 值表示，F 值越小，光圈越大，进光量越多。但光圈越大，景深越浅，边缘画质也会下降。
我一般建议：光圈收两档用。比如镜头最大光圈 F1.4，那我通常调到 F2.8 或 F4。为什么？因为最大光圈下，镜头边缘的像差和畸变最严重。收两档后，画质会好很多。
⚠️ 我曾经在一个项目中，为了追求亮度把光圈开到最大，结果工件边缘出现了明显的色散和畸变，定位精度死活达不到要求。后来把光圈收到 F4，问题就解决了。所以别贪那点亮度。
2.3 景深
景深就是清晰成像的深度范围。产线上工件高度有公差，或者工件有倾斜，景深不够就会模糊。
影响景深的三个因素：
- 光圈越小，景深越大（F 值越大，景深越大）
- 焦距越短，景深越大
- 工作距离越远，景深越大
你想想看，如果工件高度差有 5mm，那景深至少得 8mm 以上才保险。怎么算？有公式，但说实话，我都是直接查镜头厂商的景深表，或者用软件模拟一下。
远心镜头：如果做高精度测量，建议用远心镜头。它没有透视畸变，放大倍率恒定，景深也大。当然，价格也贵。我一般只在精度要求 0.01mm 以上时才用。
三、光源选择：环形光、背光、同轴光
光源选得好不好，直接决定了图像处理的难度。我常说一句话：好的光源，让算法躺赢；差的光源，让算法累死。
常见的三种光源，各有各的脾气：
| 光源类型 | 特点 | 适用场景 | 我的经验 |
|---|---|---|---|
| 环形光 | 从四周向中心打光，光线均匀 | 检测字符、划痕、焊点、表面缺陷 | 角度可调的最好用，低角度打光能突出凹凸 |
| 背光 | 从工件背面打光，形成高对比度轮廓 | 尺寸测量、外形检测、孔位定位 | 做定位首选！轮廓清晰，算法处理最简单 |
| 同轴光 | 光线通过半透半反镜，与镜头同轴 | 高反光表面、镜面、玻璃、晶圆 | 能消除反光，但亮度损失大，需要大功率 |
3.1 环形光
环形光是最常用的。它装在镜头周围，光线从各个方向照过来。我一般用 60° 到 90° 的照射角度。角度越小，越能突出表面的凹凸纹理。
举个例子：检测 PCB 板上的焊点有没有虚焊。用低角度环形光，焊点会形成明显的明暗对比，虚焊的地方反光不一样，一眼就能看出来。
3.2 背光
背光是我个人最喜欢的。为什么？因为它产生的图像最简单——工件是黑色的，背景是亮的，轮廓极其清晰。做定位、做尺寸测量，用背光几乎不需要什么图像预处理。
我曾经做过一个项目，检测手机中框的四个角有没有毛刺。用背光一照，毛刺在轮廓上突出来一点点，算法直接二值化 + 轮廓提取就搞定了。整个处理时间不到 20 毫秒。
💡 背光选型时注意均匀性。便宜的背光板中间亮四周暗，会导致测量误差。我一般选 LED 阵列密度高的，或者用导光板结构的。
3.3 同轴光
同轴光比较特殊。它通过一个半透半反镜，让光线沿着镜头的光轴方向照射。说白了，就是让光线垂直打到工件表面。
这种光最适合高反光表面。比如检测晶圆上的划痕、玻璃面板上的脏污。普通光源照上去全是反光，什么都看不见。同轴光能把这些反光压下去。
但要注意：同轴光的光路有损耗，亮度大概只有普通光源的 30%-50%。所以需要配大功率的 LED 控制器。我一般用 24V/3A 以上的恒流源。
⚠️ 同轴光对安装精度要求很高。半透半反镜稍微偏一点，光斑就不均匀。我曾经调试一个同轴光系统，调了整整一个下午才把光斑调均匀。所以安装时一定要用千分表校准。
四、实战中的选型思路
说了这么多，到底怎么选？我一般按这个顺序来：
- 先定光源：根据工件材质和检测内容，确定用什么光。做定位？背光。做表面检测？环形光。高反光？同轴光。
- 再定相机：根据精度要求和视野大小，算分辨率。根据产线节拍，算帧率。根据运动状态，选全局快门。
- 最后定镜头：根据工作距离和视野，算焦距。根据景深要求，定光圈。根据精度要求，决定要不要远心镜头。
这个顺序是我多年总结出来的。先定光源，因为光源决定了成像的「底子」。底子好了，相机和镜头的选择空间就大很多。
总结一句话：成像系统没有最好的配置，只有最合适的搭配。多试、多调、多对比，才是王道。