在工业自动化领域（如视觉检测、定位、识别），2D 相机与镜头的选型直接决定视觉系统的精度、稳定性和成本。本文结合工业应用场景，从核心参数、选型流程、匹配原则到实战案例，提供系统化的选型指南。
一、工业 2D 相机选型
工业 2D 相机按传感器类型 分为 CCD 相机 和 CMOS 相机 ；按数据接口 分为 GigE Vision、USB3.0/2.0、Camera Link 等。选型核心围绕 传感器参数、帧率、接口、触发方式 四大维度。
1. 核心参数解析
| 参数 | 定义与作用 | 选型依据 |
|---|---|---|
| 分辨率（Pixel） | 传感器的像素总数（如 1280×1024=130 万像素），决定图像的细节分辨能力。 | 由 检测精度需求 计算：单像素精度 = 视野宽度（FOV） / 相机横向分辨率要求：单像素精度 ≤ 检测精度的 1/2~1/3（预留冗余） |
| 像素尺寸（μm） | 单个像素的物理尺寸（如 3.75μm×3.75μm），影响感光能力和成像信噪比。 | 像素尺寸越大，感光性越好（适合低光照场景）；小像素尺寸适合高分辨率、小视野场景（需配合高亮度光源） |
| 传感器尺寸（英寸） | 传感器的对角线长度（如 1/2.3"、1/1.8"、2/3"），决定镜头的选型适配性。 | 传感器尺寸越大，相同焦距下视野越大；需匹配镜头的 成像圈直径（镜头成像圈需≥传感器对角线） |
| 帧率（FPS） | 相机每秒采集的图像数，决定系统的检测效率。 | 由 产线节拍 决定：帧率 ≥ 产线最大运行速度 / 单次检测所需图像数（预留 20% 冗余） |
| 快门类型 | 分为 全局快门（Global Shutter） 和 卷帘快门（Rolling Shutter）。 | - 全局快门 ：所有像素同时曝光，无运动模糊，适合 高速运动物体检测 （如流水线工件）；- 卷帘快门 ：逐行曝光，成本低，适合 静态物体检测（如 PCB 外观检测） |
| 数据接口 | 传输图像数据的接口，影响传输速度和传输距离。 | 选型对比：✅ GigE Vision：传输距离远（100m）、支持多相机同步，适合大型产线；✅ USB3.0：即插即用、成本低，适合单机视觉系统；✅ Camera Link：超高带宽，适合高分辨率 + 高帧率场景（如 8K 相机） |
| 触发方式 | 分为 硬件触发 和 软件触发。 | 工业场景优先选 硬件触发（通过 PLC / 运动控制器发送触发信号），确保图像采集与产线动作同步；软件触发适合静态采样场景 |
2. 相机类型选型对比
| 相机类型 | 优点 | 缺点 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| CCD 相机 | 成像噪声低、动态范围广、色彩还原度高 | 帧率较低、功耗高、成本高 | 高精度检测（如半导体晶圆检测、色差分析） |
| CMOS 相机 | 帧率高、功耗低、成本低、集成度高 | 噪声略高于 CCD（高端 CMOS 已接近 CCD） | 大部分工业场景（如尺寸测量、条码识别、定位） |
| GigE 相机 | 传输距离远、支持多相机组网、抗干扰强 | 需配置千兆网卡，带宽略低于 Camera Link | 大型产线多相机协同检测（如整车焊接检测） |
| USB3.0 相机 | 即插即用、开发成本低、体积小 | 传输距离短（≤5m）、不支持多相机同步 | 小型单机视觉系统（如桌面式检测仪） |
3. 相机选型关键公式
工业选型中，分辨率 是核心计算指标，公式如下：\text{相机横向分辨率} \ge \frac{\text{视野宽度（FOV}_W\right)}{\text{单像素精度}}示例：检测工件尺寸为 100mm×50mm，要求检测精度 0.05mm，则：单像素精度取 0.02mm（冗余设计），横向分辨率 ≥ 100mm / 0.02mm = 5000 像素 → 选择 500 万像素以上相机（如 2592×1944=500 万像素）。
二、工业镜头选型
工业镜头是视觉系统的 "眼睛"，其核心作用是将物体成像到相机传感器上。选型需匹配 相机参数、视野需求、工作距离、畸变要求 ，核心参数包括 焦距、光圈、畸变、接口类型。
1. 核心参数解析
| 参数 | 定义与作用 | 选型依据 |
|---|---|---|
| 焦距（f） | 镜头的焦点到传感器的距离，决定成像的放大倍数和视野大小。 | 由 工作距离（WD） 和 视野（FOV） 计算：f=FOVWWD×传感器尺寸W（传感器尺寸W为相机横向尺寸，可查相机手册） |
| 光圈（F 数） | 镜头的通光能力（F = 焦距 / 通光孔径），F 数越小，通光量越大。 | - 低光照场景选小 F 数（如 F1.4、F2.0）；- 高精度检测选大 F 数（如 F8、F11），提高景深（成像清晰范围） |
| 畸变 | 图像的几何变形（分为桶形畸变、枕形畸变），工业镜头要求畸变 ≤ 1%。 | 测量类场景（如尺寸检测）优先选 低畸变镜头（畸变≤0.1%）；识别类场景（如条码识别）对畸变要求较低 |
| 景深（DOF） | 镜头能清晰成像的物体前后距离范围，景深越大，物体高度变化不影响成像清晰度。 | 计算公式：DOF≈传感器尺寸22×f2×N×允许模糊圈尺寸（N 为光圈值）大景深需求：增大光圈值、减小焦距、缩短工作距离 |
| 接口类型 | 镜头与相机的连接接口，分为 C 口、CS 口、F 口 等。 | - C 口：最常用工业接口（法兰距 17.526mm），支持大部分相机；- CS 口：法兰距 12.5mm，与 C 口相机需加 5mm 转接环；- F 口：大口径接口，适合大传感器相机 |
| 成像圈直径 | 镜头能清晰成像的最大圆形区域直径，需覆盖相机传感器。 | 成像圈直径 ≥ 相机传感器对角线长度（如 2/3" 传感器对角线 11mm，选成像圈≥11mm 的镜头） |
2. 镜头类型选型对比
工业镜头按功能 分为 定焦镜头、变焦镜头、远心镜头，不同类型适配不同场景：
| 镜头类型 | 优点 | 缺点 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| 定焦镜头 | 成本低、畸变小、景深稳定 | 视野固定，需调整工作距离改变视野 | 大部分工业场景（如尺寸测量、外观检测） |
| 变焦镜头 | 焦距可调，视野灵活 | 畸变较大、成本高、景深随焦距变化 | 需频繁调整视野的场景（如多品种小批量检测） |
| 远心镜头 | 无透视畸变、放大倍率恒定、景深大 | 成本高、通光量低、工作距离短 | 高精度测量场景（如精密零件尺寸检测、边缘检测） |
3. 镜头选型核心原则
- 匹配相机传感器：镜头成像圈 ≥ 相机传感器对角线；镜头接口与相机接口一致。
- 满足视野与工作距离：通过焦距计算公式确定焦距，优先选标准焦距（如 8mm、12mm、16mm）。
- 兼顾景深与畸变：测量类场景优先远心镜头或低畸变定焦镜头；动态检测场景优先大景深镜头。
三、相机与镜头的匹配选型流程
工业视觉系统选型需从需求出发，反向推导参数，具体流程如下：
步骤 1：明确应用需求
- 检测目标：物体尺寸、材质（反光 / 哑光）、颜色；
- 精度要求：检测精度、重复定位精度；
- 效率要求：产线节拍、检测速度；
- 安装条件：工作距离（镜头到物体的距离）、安装空间（决定镜头焦距和相机体积）。
步骤 2：计算核心参数
- 确定视野（FOV）：FOV 需覆盖检测目标，预留 10%~20% 边缘冗余（避免物体偏移出视野）；
- 计算相机分辨率：根据检测精度计算最小分辨率，优先选标准分辨率（如 130 万、500 万、1200 万像素）；
- 计算镜头焦距：根据工作距离和 FOV，通过焦距公式计算焦距，选择最接近的标准焦距镜头；
- 验证景深与畸变：若景深不足，调整光圈（增大 F 数）或更换远心镜头；若畸变超标，更换低畸变镜头。
步骤 3：选型优化与验证
- 成本优化：在满足需求的前提下，优先选 CMOS 相机 + 定焦镜头（成本低于 CCD + 远心镜头）；
- 环境适应性：恶劣环境（如高温、粉尘）选工业级防护相机（IP67）和镜头；
- 联调验证：选型后进行实物联调，测试成像清晰度、精度、帧率是否满足要求。
四、典型应用场景选型案例
案例 1：PCB 板外观检测
- 需求：检测 PCB 板（尺寸 300mm×200mm）的焊盘缺陷，检测精度 0.1mm，产线节拍 100 块 / 分钟，工作距离 500mm；
- 相机选型 ：
- 单像素精度 = 0.05mm（冗余设计），横向分辨率≥300mm/0.05mm=6000 像素 → 选择 800 万像素相机（3264×2448）；
- 快门类型：全局快门（PCB 板在流水线上运动）；
- 接口：GigE Vision（支持多相机组网）；
- 镜头选型 ：
- 传感器尺寸 2/3"（对角线 11mm），FOV=300mm×200mm，WD=500mm；
- 焦距计算：f=300mm500mm×11mm≈18.3mm → 选择 20mm 定焦镜头；
- 光圈：F4（兼顾通光量和景深），畸变≤0.2%。
案例 2：精密零件尺寸测量
- 需求：测量轴承内径（尺寸 φ20mm），精度 0.005mm，静态检测，工作距离 100mm；
- 相机选型 ：
- 单像素精度 = 0.002mm，横向分辨率≥20mm/0.002mm=10000 像素 → 选择 1200 万像素相机（4096×3072）；
- 传感器尺寸 1"（对角线 16mm），像素尺寸 3.2μm（高感光性）；
- 镜头选型 ：
- 焦距计算：f=20mm100mm×16mm=80mm；
- 镜头类型：远心镜头（无畸变，放大倍率恒定），光圈 F8（大景深）。
五、选型注意事项
- 光源协同选型：镜头和相机的选型需配合光源（如环形光源、条形光源），反光物体需选低角度光源，透明物体需选背光源；
- 避免过度选型：分辨率和帧率并非越高越好，过高参数会增加成本和数据处理压力；
- 兼容性验证：确保镜头与相机的接口匹配，驱动支持主流工业视觉软件（如 Halcon、VisionPro）；
- 售后服务：优先选择提供技术支持的品牌（如 Basler、Keyence、海康威视），便于后期调试和维护。
六、总结
工业 2D 相机与镜头的选型是一个系统工程 ，核心是参数匹配 和需求导向。在实际项目中，需结合检测精度、效率、成本和环境，通过公式计算 + 实物验证的方式，选择最优组合。对于创业型项目，建议优先采用成熟的标准化方案（如 GigE 相机 + 定焦镜头），降低开发难度和成本。