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机器视觉系统中工业相机的常见类型及其特点、应用

news 2025/9/27 5:38:23

本文主要就工业相机的分类及其应用场景进行阐述，帮助了解工业相机的更多信息。

1.1、工业相机是什么

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。其成像原理与小孔成像类似，但更为复杂。当被摄物体反射的光线通过工业镜头折射后，会投射到相机的感光传感器上，这个感光传感器通常是电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）。

1.2、工业相机的主要特点

高可靠性：工业相机设计用于长时间连续工作，能够在高温、高湿、震动等恶劣环境下稳定运行。
高性能：提供高分辨率、高帧率、高动态范围和高灵敏度，满足精密检测和高速捕捉的需求。
模块化设计：工业相机通常采用模块化设计，便于集成到各种工业设备和系统中。
丰富的接口：支持多种接口类型（如GigE、USB3.0、Camera Link、CoaXPress等），满足不同带宽和距离的需求。
灵活的配置：支持多种触发模式、曝光控制和图像处理功能，适应不同的应用场景。

1.3、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。

1.3.1 CCD 相机和 CMOS 相机

工业相机主要基于CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片。CCD是目前机器视觉中最常用的图像传感器，它集光电转换、电荷存贮、电荷转移和信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CMOS图像传感器则将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上。两者在性能和应用方面各有优势：

CCD 相机成像质量高，噪声低，在低光照环境下表现出色，但成本较高、功耗大，用于要求高图像质量和低噪音的应用；CMOS 相机成本低、功耗低、数据读取速度快，不过图像质量相对略逊一筹，适用于高速和低功耗应用。

1.3.2黑白和彩色相机

黑白工业相机直接将光强信号转换成图像灰度值，生成的是单色灰度图像。彩色工业相机能获取景物中红、绿、蓝三个分量的光信号，输出彩色图像。彩色相机能够提供比黑白相机更多的色彩信息。

彩色相机能获取物体丰富的色彩信息，适用于对颜色有要求的检测，如食品外观检测、印刷品色彩检测等；黑白相机则对光线更敏感，在检测物体的灰度差异、纹理细节方面表现较好，常用于对精度要求高的尺寸测量、缺陷检测等场景。

1.3.3面阵和线阵相机

面阵相机是每次采集若干行的图像并以帧方式输出。其应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵相机的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧速度受到限制。

线阵工业相机，顾名思义是成像传感器呈“线”状的。虽然也是二维图像，但极宽，几千个像素的宽度，而高度却只有几个像素的而已。线阵工业相机具有高扫描频率和高分辨率。其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。一般在两种情况下使用这种相机：

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。

面阵相机一次获取一帧完整图像，适用于静态物体或运动速度较慢的物体检测；线阵相机每次获取一行图像，通过物体与相机的相对运动来构建完整图像，常用于高速运动物体的检测和高精度的一维测量，如印刷品的在线检测、金属板材的表面检测等。

TDI工业相机

TDI作为特殊的线阵工业相机，是一种采用时间延迟积分（Time Delay Integration，TDI）技术的线阵工业相机。其工作原理如下：

1.光电荷产生：当光线照射到 TDI 传感器的第一行像素上时，产生初始的光电荷。

2.电荷转移与累积：在下一个时钟周期，这些电荷被精确地转移到第二行像素，同时第一行像素继续接收新的光子并产生新的电荷。这个过程在随后的像素行中持续进行，每一行都在接收新的光子并累积来自前一行的电荷。

3.信号读出：当电荷到达最后一行像素时，累积的信号被读出，形成最终的图像信号。通过这种方式，来自同一位置的信号被连续地叠加在一起，增加了总信号量，从而增强了图像的信噪比和灵敏度。

应用领域

半导体行业：用于半导体晶圆检测、芯片封装检测等，能够检测出晶圆上的微小缺陷、划痕、杂质等，确保产品质量。

平板显示器（FPD）检测：可对液晶显示器、有机发光二极管显示器等的生产过程进行检测，如检测面板上的像素缺陷、线路短路、断路等问题。

电子制造：用于印刷电路板（PCB）的外观检测、元器件的贴装检测等，能够快速检测出 PCB 上的焊接缺陷、元件缺失、极性错误等问题。

物流与包装：在物流分拣过程中，可用于识别货物的标签、条形码、外形尺寸等信息，实现自动化的分拣和包装；还可以检测包装的完整性、封口质量等。

纺织与服装：用于纺织品的疵点检测、面料的花纹识别、服装的尺寸测量等，提高纺织品和服装的质量控制效率。

1.3.4数字工业相机和模拟工业相机

数字工业相机和模拟工业相机两者只在输出信号上有区别。

模拟工业相机输出的是模拟信号，数字工业相机输出的是数字信号。模拟工业相机的A/D 转换是在工业相机之外进行的，数字工业相机的A/D 转换是在工业相机内部完成的。

标准的模拟相机分辨率很低，帧率固定。模拟相机必须搭配具有A/D转换功能的模拟采集卡，经过模拟采集卡转换为数字信号进行存储或者处理。模拟信号可能会由于工厂内其他设备（比如电动机或高压电缆）的电磁干扰而造成失真，随着噪声水平的提高模拟相机的动态范围（原始信号与噪声之比）会降低。动态范围决定了有多少信息能从相机传输给计算机。

数字相机输出的是数字信号，数字信号不受电噪声影响，因此数字相机的动态范围更高，能够向计算机传输更精确的信号。

1.3.5可见光相机、红外相机、紫外相机

1.3.5.1光谱范围与成像原理

可见光工业相机

光谱范围：主要覆盖人眼可见的光谱范围，大约在390nm至780nm之间。

成像原理：通过镜头捕捉目标物体的可见光图像，并转换为电信号进行存储或传输。

红外工业相机

光谱范围：覆盖红外光谱范围，通常分为近红外（NIR，750nm～1400nm）、短波红外（SWIR，1400nm～3000nm）、中波红外（MWIR，3000nm～8000nm）、长波红外（LWIR，8000nm～14000nm）。

成像原理：利用红外探测器接收目标物体发出的红外辐射，并将其转换为电信号进行成像。红外成像不依赖于颜色，可以高精度地可视化任何物体。

紫外工业相机

光谱范围：覆盖紫外光谱范围，大约在10nm至400nm之间，工业上常用的紫外波长包括365nm和395nm。

成像原理：通过紫外镜头捕捉目标物体发出的紫外光，并利用紫外探测器将其转换为电信号进行成像。紫外相机通常用于检测使用可见光无法检测到的特征。

1.3.5.2技术特点

可见光工业相机：

分辨率高，色彩还原能力强。适用于常规的视觉检测和图像分析。

红外工业相机：

能够穿透烟雾、灰尘等可见光无法穿透的介质。对温度敏感，适用于热成像和夜视。

紫外工业相机：

对表面缺陷、荧光物质和紫外标记敏感。适用于高精度检测和特殊材料分析。

1.3.5.3应用场景

可见光工业相机：广泛用于安防监控、影视制作、交通管理、环保监测、工业检测与机器视觉、军事侦察等领域，如产品外观缺陷检测、交通违章记录。
红外工业相机：用于热成像、红外测温、夜视、隐身检测、军事侦察、工业温度监测等，如电力设备的热故障检测、夜间安防监控。
紫外工业相机：常用于高分辨率视频显微镜、电晕检测、半导体检测、无损检测、塑料和橡胶制品检测等，如检测半导体晶圆表面的细微缺陷。

1.3.6高光谱和多光谱工业相机

1.3.6.1光谱分辨率与波段数量

高光谱相机：光谱分辨率极高，通常能记录超过 100 个波段，甚至可达数百个至上千个波段，可在可见光、近红外、短波红外等光谱范围内对物体进行连续光谱成像，获取目标物在非常多窄波段下的反射、透射或辐射信息，相邻波段的间隔非常小，一般为 1nm 左右，甚至更小5。
多光谱相机：光谱分辨率相对较低，波段数量较少，一般在 2 到 100 个之间，其波段宽度相对较宽，通常为 10-100nm。

1.3.6.2成像原理与设备结构

高光谱相机：常见的成像技术包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等，通过这些技术将光按照波长进行分离，并逐点或逐行获取物体的反射或透射光，设备结构较为复杂。
多光谱相机：主要有三种类型，多镜头型多光谱照相机具有 4-9 个镜头，每个镜头各有一个滤光片，分别让一种较窄光谱的光通过，多个镜头同时拍摄同一景物；多相机型多光谱照相机是由几台照相机组合在一起，各台照相机分别带有不同的滤光片，分别接收景物的不同光谱带上的信息，同时拍摄同一景物；光束分离型多光谱照相机采用一个镜头拍摄景物，用多个三棱镜分光器将来自景物的光线分离为若干波段的光束，用多套胶片分别将各波段的光信息记录下来。

1.3.6.3应用场景

高光谱相机：适用于需要高精度光谱分析的场景，如工业检测中的微小缺陷检测、材料成分的精确分析、食品药品的质量检测和安全评估等；在科研领域，用于地质勘探、生物医学研究、环境科学研究等，以获取详细的光谱信息来进行深入分析。
多光谱相机：适用于对光谱分辨率要求不高，但需要快速获取大面积、多波段信息的场景，如农业领域的大面积农作物生长状况监测、森林资源调查；在安防监控中用于目标识别和场景分析；在遥感领域用于土地利用分类、城市规划等。