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本文主要就工業(yè)相機(jī)的分類及其應(yīng)用場景進(jìn)行闡述，幫助了解工業(yè)相機(jī)的更多信息。

1.1、工業(yè)相機(jī)是什么

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成有序的電信號。其成像原理與小孔成像類似，但更為復(fù)雜。當(dāng)被攝物體反射的光線通過工業(yè)鏡頭折射后，會投射到相機(jī)的感光傳感器上，這個感光傳感器通常是電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。

1.2、工業(yè)相機(jī)的主要特點

• 高可靠性：工業(yè)相機(jī)設(shè)計用于長時間連續(xù)工作，能夠在高溫、高濕、震動等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。
• 高性能：提供高分辨率、高幀率、高動態(tài)范圍和高靈敏度，滿足精密檢測和高速捕捉的需求。
• 模塊化設(shè)計：工業(yè)相機(jī)通常采用模塊化設(shè)計，便于集成到各種工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)中。
• 豐富的接口：支持多種接口類型（如GigE、USB3.0、Camera Link、CoaXPress等），滿足不同帶寬和距離的需求。
• 靈活的配置：支持多種觸發(fā)模式、曝光控制和圖像處理功能，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

1.3、工業(yè)相機(jī)的分類

• 按圖像傳感器類型：分為 CCD工業(yè)相機(jī)和 CMOS工業(yè)相機(jī)。
• 按輸出色彩：分為彩色工業(yè)相機(jī)和黑白（單色）工業(yè)相機(jī)。
• 按掃描方式：面陣工業(yè)相機(jī)和線陣工業(yè)相機(jī)。
• 按輸出信號方式分：模擬工業(yè)相機(jī)、數(shù)字工業(yè)相機(jī)。
• 按響應(yīng)頻率范圍分：可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。
• 按照光譜波段數(shù)量來分，可分為高光譜相機(jī)和多光譜相機(jī)。
• 按照成像維度分：2D工業(yè)相機(jī)和3D工業(yè)相機(jī)
• 特殊工業(yè)相機(jī)：偏振工業(yè)相機(jī)。

1.3.1CCD 相機(jī)和 CMOS 相機(jī)

工業(yè)相機(jī)主要基于CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）芯片。CCD是目前機(jī)器視覺中最常用的圖像傳感器，它集光電轉(zhuǎn)換、電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移和信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CMOS圖像傳感器則將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上。兩者在性能和應(yīng)用方面各有優(yōu)勢：

CCD 相機(jī)成像質(zhì)量高，噪聲低，在低光照環(huán)境下表現(xiàn)出色，但成本較高、功耗大，用于要求高圖像質(zhì)量和低噪音的應(yīng)用；CMOS 相機(jī)成本低、功耗低、數(shù)據(jù)讀取速度快，不過圖像質(zhì)量相對略遜一籌，適用于高速和低功耗應(yīng)用。

1.3.2黑白和彩色相機(jī)

黑白工業(yè)相機(jī)直接將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成圖像灰度值，生成的是單色灰度圖像。彩色工業(yè)相機(jī)能獲取景物中紅、綠、藍(lán)三個分量的光信號，輸出彩色圖像。彩色相機(jī)能夠提供比黑白相機(jī)更多的色彩信息。

彩色相機(jī)能獲取物體豐富的色彩信息，適用于對顏色有要求的檢測，如食品外觀檢測、印刷品色彩檢測等；黑白相機(jī)則對光線更敏感，在檢測物體的灰度差異、紋理細(xì)節(jié)方面表現(xiàn)較好，常用于對精度要求高的尺寸測量、缺陷檢測等場景。

1.3.3面陣和線陣相機(jī)

面陣相機(jī)是每次采集若干行的圖像并以幀方式輸出。其應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。面陣相機(jī)的優(yōu)點是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀速度受到限制。

線陣工業(yè)相機(jī)，顧名思義是成像傳感器呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但極寬，幾千個像素的寬度，而高度卻只有幾個像素的而已。線陣工業(yè)相機(jī)具有高掃描頻率和高分辨率。其典型應(yīng)用領(lǐng)域是檢測連續(xù)的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測的物體通常勻速運(yùn)動, 利用一臺或多臺工業(yè)相機(jī)對其逐行連續(xù)掃描，以達(dá)到對其整個表面均勻檢測?？梢詫D像逐行進(jìn)行處理，或者對由多行組成的面陣圖像進(jìn)行處理。另外線陣工業(yè)相機(jī)非常適合測量場合，這要歸功于傳感器的高分辨率。一般在兩種情況下使用這種相機(jī)：

1. 被測視野為細(xì)長的帶狀，多用于滾筒上檢測的問題。

2. 需要極大的視野或極高的精度。

面陣相機(jī)一次獲取一幀完整圖像，適用于靜態(tài)物體或運(yùn)動速度較慢的物體檢測；線陣相機(jī)每次獲取一行圖像，通過物體與相機(jī)的相對運(yùn)動來構(gòu)建完整圖像，常用于高速運(yùn)動物體的檢測和高精度的一維測量，如印刷品的在線檢測、金屬板材的表面檢測等。

TDI工業(yè)相機(jī)

TDI作為特殊的線陣工業(yè)相機(jī)，是一種采用時間延遲積分（Time Delay Integration，TDI）技術(shù)的線陣工業(yè)相機(jī)。其工作原理如下：

1.光電荷產(chǎn)生：當(dāng)光線照射到 TDI 傳感器的第一行像素上時，產(chǎn)生初始的光電荷。

2.電荷轉(zhuǎn)移與累積：在下一個時鐘周期，這些電荷被精確地轉(zhuǎn)移到第二行像素，同時第一行像素繼續(xù)接收新的光子并產(chǎn)生新的電荷。這個過程在隨后的像素行中持續(xù)進(jìn)行，每一行都在接收新的光子并累積來自前一行的電荷。

3.信號讀出：當(dāng)電荷到達(dá)最后一行像素時，累積的信號被讀出，形成最終的圖像信號。通過這種方式，來自同一位置的信號被連續(xù)地疊加在一起，增加了總信號量，從而增強(qiáng)了圖像的信噪比和靈敏度。

應(yīng)用領(lǐng)域

半導(dǎo)體行業(yè)：用于半導(dǎo)體晶圓檢測、芯片封裝檢測等，能夠檢測出晶圓上的微小缺陷、劃痕、雜質(zhì)等，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

平板顯示器（FPD）檢測：可對液晶顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管顯示器等的生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測，如檢測面板上的像素缺陷、線路短路、斷路等問題。

電子制造：用于印刷電路板（PCB）的外觀檢測、元器件的貼裝檢測等，能夠快速檢測出 PCB 上的焊接缺陷、元件缺失、極性錯誤等問題。

物流與包裝：在物流分揀過程中，可用于識別貨物的標(biāo)簽、條形碼、外形尺寸等信息，實現(xiàn)自動化的分揀和包裝；還可以檢測包裝的完整性、封口質(zhì)量等。

紡織與服裝：用于紡織品的疵點檢測、面料的花紋識別、服裝的尺寸測量等，提高紡織品和服裝的質(zhì)量控制效率。

1.3.4數(shù)字工業(yè)相機(jī)和模擬工業(yè)相機(jī)

數(shù)字工業(yè)相機(jī)和模擬工業(yè)相機(jī)兩者只在輸出信號上有區(qū)別。

模擬工業(yè)相機(jī)輸出的是模擬信號，數(shù)字工業(yè)相機(jī)輸出的是數(shù)字信號。模擬工業(yè)相機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換是在工業(yè)相機(jī)之外進(jìn)行的，數(shù)字工業(yè)相機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換是在工業(yè)相機(jī)內(nèi)部完成的。

標(biāo)準(zhǔn)的模擬相機(jī)分辨率很低，幀率固定。模擬相機(jī)必須搭配具有A/D轉(zhuǎn)換功能的模擬采集卡，經(jīng)過模擬采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行存儲或者處理。模擬信號可能會由于工廠內(nèi)其他設(shè)備（比如電動機(jī)或高壓電纜）的電磁干擾而造成失真，隨著噪聲水平的提高模擬相機(jī)的動態(tài)范圍（原始信號與噪聲之比）會降低。動態(tài)范圍決定了有多少信息能從相機(jī)傳輸給計算機(jī)。

數(shù)字相機(jī)輸出的是數(shù)字信號，數(shù)字信號不受電噪聲影響，因此數(shù)字相機(jī)的動態(tài)范圍更高，能夠向計算機(jī)傳輸更精確的信號。

1.3.5可見光相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)

1.3.5.1光譜范圍與成像原理

• 可見光工業(yè)相機(jī)

光譜范圍：主要覆蓋人眼可見的光譜范圍，大約在390nm至780nm之間。

成像原理：通過鏡頭捕捉目標(biāo)物體的可見光圖像，并轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行存儲或傳輸。

• 紅外工業(yè)相機(jī)

光譜范圍：覆蓋紅外光譜范圍，通常分為近紅外（NIR，750nm～1400nm）、短波紅外（SWIR，1400nm～3000nm）、中波紅外（MWIR，3000nm～8000nm）、長波紅外（LWIR，8000nm～14000nm）。

成像原理：利用紅外探測器接收目標(biāo)物體發(fā)出的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行成像。紅外成像不依賴于顏色，可以高精度地可視化任何物體。

• 紫外工業(yè)相機(jī)

光譜范圍：覆蓋紫外光譜范圍，大約在10nm至400nm之間，工業(yè)上常用的紫外波長包括365nm和395nm。

成像原理：通過紫外鏡頭捕捉目標(biāo)物體發(fā)出的紫外光，并利用紫外探測器將其轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行成像。紫外相機(jī)通常用于檢測使用可見光無法檢測到的特征。

1.3.5.2技術(shù)特點

可見光工業(yè)相機(jī)：

分辨率高，色彩還原能力強(qiáng)。適用于常規(guī)的視覺檢測和圖像分析。

紅外工業(yè)相機(jī)：

能夠穿透煙霧、灰塵等可見光無法穿透的介質(zhì)。對溫度敏感，適用于熱成像和夜視。

紫外工業(yè)相機(jī)：

對表面缺陷、熒光物質(zhì)和紫外標(biāo)記敏感。適用于高精度檢測和特殊材料分析。

1.3.5.3應(yīng)用場景

可見光工業(yè)相機(jī)：廣泛用于安防監(jiān)控、影視制作、交通管理、環(huán)保監(jiān)測、工業(yè)檢測與機(jī)器視覺、軍事偵察等領(lǐng)域，如產(chǎn)品外觀缺陷檢測、交通違章記錄。

紅外工業(yè)相機(jī)：用于熱成像、紅外測溫、夜視、隱身檢測、軍事偵察、工業(yè)溫度監(jiān)測等，如電力設(shè)備的熱故障檢測、夜間安防監(jiān)控。

紫外工業(yè)相機(jī)：常用于高分辨率視頻顯微鏡、電暈檢測、半導(dǎo)體檢測、無損檢測、塑料和橡膠制品檢測等，如檢測半導(dǎo)體晶圓表面的細(xì)微缺陷。

1.3.6高光譜和多光譜工業(yè)相機(jī)

1.3.6.1光譜分辨率與波段數(shù)量

高光譜相機(jī)：光譜分辨率極高，通常能記錄超過 100 個波段，甚至可達(dá)數(shù)百個至上千個波段，可在可見光、近紅外、短波紅外等光譜范圍內(nèi)對物體進(jìn)行連續(xù)光譜成像，獲取目標(biāo)物在非常多窄波段下的反射、透射或輻射信息，相鄰波段的間隔非常小，一般為 1nm 左右，甚至更小5。

多光譜相機(jī)：光譜分辨率相對較低，波段數(shù)量較少，一般在 2 到 100 個之間，其波段寬度相對較寬，通常為 10-100nm。

1.3.6.2成像原理與設(shè)備結(jié)構(gòu)

高光譜相機(jī)：常見的成像技術(shù)包括光柵分光、聲光可調(diào)諧濾波分光、棱鏡分光、芯片鍍膜等，通過這些技術(shù)將光按照波長進(jìn)行分離，并逐點或逐行獲取物體的反射或透射光，設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

多光譜相機(jī)：主要有三種類型，多鏡頭型多光譜照相機(jī)具有 4-9 個鏡頭，每個鏡頭各有一個濾光片，分別讓一種較窄光譜的光通過，多個鏡頭同時拍攝同一景物；多相機(jī)型多光譜照相機(jī)是由幾臺照相機(jī)組合在一起，各臺照相機(jī)分別帶有不同的濾光片，分別接收景物的不同光譜帶上的信息，同時拍攝同一景物；光束分離型多光譜照相機(jī)采用一個鏡頭拍攝景物，用多個三棱鏡分光器將來自景物的光線分離為若干波段的光束，用多套膠片分別將各波段的光信息記錄下來。

1.3.6.3應(yīng)用場景

高光譜相機(jī)：適用于需要高精度光譜分析的場景，如工業(yè)檢測中的微小缺陷檢測、材料成分的精確分析、食品藥品的質(zhì)量檢測和安全評估等；在科研領(lǐng)域，用于地質(zhì)勘探、生物醫(yī)學(xué)研究、環(huán)境科學(xué)研究等，以獲取詳細(xì)的光譜信息來進(jìn)行深入分析。

多光譜相機(jī)：適用于對光譜分辨率要求不高，但需要快速獲取大面積、多波段信息的場景，如農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大面積農(nóng)作物生長狀況監(jiān)測、森林資源調(diào)查；在安防監(jiān)控中用于目標(biāo)識別和場景分析；在遙感領(lǐng)域用于土地利用分類、城市規(guī)劃等。

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1.3.7偏振工業(yè)相機(jī)

偏振工業(yè)相機(jī)是一種利用光的偏振特性進(jìn)行成像的工業(yè)相機(jī)。

工作原理

光的偏振特性：光是一種電磁波，具有偏振特性。自然光在垂直于傳播方向的平面內(nèi)包含著一切可能方向的振動，且在任一方向上的振幅相同。當(dāng)光經(jīng)過物體表面反射、折射、散射等作用后，其偏振狀態(tài)會發(fā)生改變，如變成線偏振光、圓偏振光或橢圓偏振光等。

相機(jī)檢測原理：偏振工業(yè)相機(jī)通常在鏡頭前或傳感器上安裝偏振片等光學(xué)元件，通過這些元件來選擇性地讓特定偏振方向的光通過并被傳感器接收。根據(jù) Stokes 矢量計算偏振度原理，平行光源照射在被測物表面形成光的反射，反射光透過偏振片后，相機(jī)的圖像傳感器可從多個方向采集到圖像數(shù)據(jù)，最終結(jié)合成的偏振度圖像。