机器视觉相机、镜头、光源怎么配？一套能落地的选型算法与 BOM

结论先行

机器视觉选型是倒推，不是正推：先定”要看出多大的东西”，再定相机与镜头，最后定光源。 顺序反了，买回来的相机往往像素很高但看不见缺陷。

三个公式撑起整张 BOM：

公式	用途
FOV = 靶面 × WD ÷ f	已知靶面、工作距离、焦距，算视野
f = 靶面 × WD ÷ FOV	已知需要的视野，反推该配什么焦距的镜头
物方分辨率 = FOV ÷ 水平像素数	算出每个像素代表多少毫米，判断精度够不够

一句话：像素数不是精度，物方分辨率才是。 2000 万像素的相机配错镜头，照样看不见 0.2 mm 的划痕。

第一步：定精度——最小特征占几个像素

工程上有明确的经验区间：

每个最小特征占用的像素数	能做什么
2 像素	下限，勉强能检出，边缘测量不可靠
4—10 像素	边缘测量、缺陷分类的推荐区间
10 像素以上	亚像素质心定位、精密测量

倒推算法：已知最小特征尺寸 Δ，要求每特征 n 个像素，则物方分辨率必须满足 分辨率 ≤ Δ ÷ n。

举例：最小缺陷 0.5 mm，要求至少占 4 像素 → 物方分辨率需 ≤ 0.125 mm/像素 → 若相机水平 2448 像素，则视野必须 ≤ 306 mm。

第二步：定相机

靶面与像素

相机靶面（传感器有效成像区）决定它配多大焦距的镜头。靶面用”有效成像宽度”算，不是相机外壳尺寸。

例：2448 像素 × 5.2 µm 像元 → 靶面宽 = 2448 × 5.2 µm ≈ 12.73 mm（手册标 12.8 mm 时以手册为准）。

常见靶面参考：1/1.8” CMOS 有效区约 7.18 mm × 5.32 mm；2/3” 约 8.8 mm × 6.6 mm；1” 约 12.8 mm × 9.6 mm。

单色 vs 彩色

除真彩色需求外一律单色。 单色灵敏度约为彩色的 2—3 倍，有效分辨率约为彩色的 2 倍——彩色传感器用 Bayer 滤色阵列，每像素只收一种颜色、需插值还原，细节与灵敏度都有损失。

快门

• 全局快门：整幅同时曝光，运动件无畸变。传送带上不停机拍照必须用它。
• 卷帘快门：逐行曝光，有相对运动时产生拖影、倾斜；噪声更低、成本更低，仅适合静止工件。

接口与传输距离

接口	带宽	典型距离	适用
GigE Vision	1 Gbps（5/10 GigE 更高）	100 m（Cat 6）	多相机 PC 系统，最常用
USB3 Vision	3.5 Gbps	约 5 m（有源可达 15 m）	低成本单相机、嵌入式
CoaXPress	6.25 Gbps/通道，最多 4 通道	40—100 m	高速、需采集卡
Camera Link	最高约 10 Gbps	10 m	传统高速线扫

性能数据看 EMVA 1288

要求厂商提供 EMVA 1288 数据手册，而不是销售口头报的信噪比。EMVA 1288 定义了量子效率、时域暗噪声、信噪比、动态范围、饱和容量，是厂商中立的评测标准，也是横向比较相机时唯一可信的依据。

第三步：定镜头

焦距算例

工件宽 280 mm，装在传送带上，左右可能各偏 15 mm，加 10 mm 检测余量 → 所需视野 320 mm。 相机靶面宽 12.8 mm，安装高度（工作距离）600 mm。 f = 12.8 × 600 ÷ 320 = 24 mm → 选 24 mm 定焦镜头。 物方分辨率 = 320 ÷ 2448 = 0.131 mm/像素。 若最小缺陷 0.5 mm → 占约 3.8 像素，高对比缺陷勉强、低对比偏紧；若缺陷 0.2 mm → 仅 1.5 像素，必须收窄视野或换更高分辨率相机。

⚠️ 视野千万别按工件尺寸刚好取。 定位偏差、上料误差、检测余量都要算进去，否则工件边缘会被裁掉，产线一跑起来就漏检。

必须核对的三件事

检查项	要求
像圈 ≥ 靶面对角线	镜头像圈小于传感器对角线会出现暗角、渐晕（1” 传感器配 2/3” 镜头必踩）
接口匹配	C 口与 CS 口后截距不同，混装无法合焦
最大支持分辨率	镜头本身的 MTF 要撑得住相机像素，高像素相机配低端镜头等于浪费

远心镜头：测量的分水岭

普通镜头有透视误差——离镜头远的部位成像偏小。工件在传送带上前后浮动几毫米，测出的尺寸就跟着变。

• 远心镜头：平行光入射，放大率在一段景深内恒定，适合沿光轴方向位置会变的零件（车削件、螺丝、轴类）；
• 双远心：两个方向都恒定，用于计量级测量；
• 只做有无判断、读码、定位的场景不必上远心。

景深

DOF ≈ 2 × N × c × (1 + M) ÷ M²

N 光圈数、c 弥散圆（常取像元尺寸）、M 放大率。

• 缩小光圈（N 变大）线性增大景深，但进光量减半 → 需加长曝光、提高增益（噪声增加）或加强照明；
• 工程做法：只收到刚好覆盖工件轴向公差的光圈，不要一味收小；
• 放大率 M 越大景深越小，高倍率测量对工件定位精度要求也越高。

第四步：定光源

光源是三件套里最被低估、也最决定成败的一件。同一套相机镜头，换个光源可能从”完全看不见”变成”一目了然”。

波长怎么选

原则：让要看的特征更亮，让干扰背景更暗。

波长	特性与典型用途
625 nm 红光	通用首选，配合单色相机、包装膜上的彩色标记读取
525 nm 绿光	压住红/橙色背景，看 PCB 上的红色标记与银色焊点
850 / 940 nm 近红外	穿透某些塑料、抑制可见光背景，也用于果蔬碰伤检测
白光	宽带，只在需要真实还原颜色时使用

形态怎么选

形态	用途
背光	轮廓测量与外形尺寸首选，工件挡光形成高对比剪影，边缘定位最稳
同轴光	高反光表面（金属、玻璃、晶圆），消除局部过曝
低角度条形光	凸显划痕、凹坑、浮雕文字——光掠射时微小高度差会投出阴影
穹顶光	消除曲面工件反光不均
环形光	通用补光，成本最低，定位与读码常用

四个典型场景的配置清单（BOM）

场景	相机	镜头	光源	关键坑
条码 / 二维码读取	200 万像素、1/1.8”、全局快门、单色	按 WD 与 FOV 算，常用 12—16 mm	红色环形光 + 漫射罩	高速产线必须全局快门；反光包装膜改用同轴或偏振
机械手定位引导	500 万像素、2/3”、全局快门、单色	按 WD/FOV 算，有定位精度要求时考虑远心	同轴光或环形白光	需做手眼标定；相机光轴垂直工件表面，倾斜 5° 就带来约 1% 尺度误差
尺寸测量	500 万像素以上、单色	双侧远心镜头	背光	普通镜头有透视误差，工件前后浮动就测不准
表面缺陷检测	500 万像素以上、单色、高动态范围	定焦，按精度倒推	低角度条形光或穹顶光	划痕靠掠射阴影凸显，正面打光几乎看不见

表中像素与焦距为典型起点值，最终必须按本文第 1—3 步的公式用实际工作距离复算。配置随视野、安装高度、传送带速度与工件公差变化，不存在通用的”标准套”。

验光与验收

步骤	做法	判据
1	按实物安装到位，用真实光源、真实曝光、真实节拍拍图	目标在所有允许位置都在画面内
2	实测物方分辨率：拍一把尺子，量已知长度跨多少像素	实测值与计算值差几个百分点属正常（焦距标称、传感器裁切、安装误差）
3	独立测 X/Y 两个方向	某些传感器像素非正方形，Sx ≠ Sy 时标定时要用两个独立尺度
4	拍最差工件：最脏、最反光的那一个	最差件也能稳定检出才算通过
5	连续跑一段产线，统计漏检与误报	误报率比检出率更早暴露光源问题

⚠️ 相机光轴不垂直会带来尺度误差：倾斜 5° 就在视野边缘引入约 1% 的尺度误差，通常已超过精密测量的重复预算。先物理调正，不要在软件里补偿。

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FAQ

工业相机镜头焦距怎么算？ 按 f = 靶面宽度 × 工作距离 ÷ 视野宽度。例如靶面宽 12.8 mm、工作距离 600 mm、需要水平视野 320 mm，f = 12.8 × 600 ÷ 320 = 24 mm。注意视野要留定位偏差与检测余量：工件 280 mm、可能左右各偏 15 mm，再加 10 mm 余量，视野应按 320 mm 算，否则工件边缘会被裁掉。

相机分辨率该怎么定，多少像素够用？ 由最小特征尺寸与每特征像素数决定。下限是最小特征至少占 2 像素，边缘测量或缺陷分类建议 4—10 像素。物方分辨率 = 视野 ÷ 水平像素数：320 mm 视野配 2448 像素是 0.131 mm/像素，0.5 mm 缺陷占约 3.8 像素（高对比勉强、低对比偏紧），0.2 mm 缺陷仅 1.5 像素，必须收窄视野或换更高分辨率相机。

什么情况下必须用远心镜头？ 做尺寸测量且工件在光轴方向有位置公差时必须用。普通镜头有透视误差，工件前后浮动几毫米测出的尺寸就跟着变；远心镜头放大率在一段景深内恒定，双远心在两个方向都恒定，适合车削件、螺丝、轴类。只做有无判断、读码、定位的场景不必上远心。

全局快门和卷帘快门怎么选？ 运动中的工件必须全局快门。卷帘快门逐行曝光，有相对运动就产生拖影、倾斜、断裂；全局快门整幅同时曝光。静止托盘检测可用卷帘快门，但也推荐全局快门，因其质心估计重复性更好。判断标准：只要在传送带上不停机拍照，就选全局快门。

选单色相机还是彩色相机？ 除非真正需要验色或按颜色分选，否则一律单色。单色灵敏度约为彩色的 2—3 倍、有效分辨率约为彩色的 2 倍；彩色传感器用 Bayer 阵列，每像素只收一种颜色需插值还原，细节和灵敏度都有损失。尺寸测量、缺陷检测、读码、定位都用单色。

光源波长怎么选？ 按被测特征与背景的颜色对比选，原则是让要看的特征更亮、让干扰背景更暗。625 nm 红光是通用选择，适合单色相机与包装膜彩色标记读取；525 nm 绿光能压住红橙背景，适合 PCB 红色标记与银色焊点；850/940 nm 近红外可穿透某些塑料、抑制可见光背景；白光是宽带，只在需要真实还原颜色时用。

光源形态怎么选？ 背光用于轮廓测量与外形尺寸，工件挡光形成高对比剪影；同轴光用于高反光表面，消除局部过曝；低角度条形光凸显划痕、凹坑、浮雕文字，光掠射时微小起伏投出阴影；穹顶光消除曲面反光不均；环形光是通用补光，成本最低，定位与读码常用。

景深不够，工件前后浮动就糊了怎么办？ 按 DOF ≈ 2 × N × c × (1 + M) ÷ M² 估算，N 为光圈数、c 为弥散圆（常取像元尺寸）、M 为放大率。缩小光圈能线性增大景深但进光量减半，需加长曝光、提高增益或加强照明。工程做法是只收到刚好覆盖工件轴向公差的光圈。放大率越大景深越小，高倍率测量对定位精度要求也越高。

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本文几何公式（FOV = 靶面 × WD ÷ f、DOF 估算）为机器视觉通用光学关系；相机性能评测口径参照 EMVA 1288 标准；接口带宽与传输距离为各标准组织的公开指标。不同厂商的靶面尺寸、像元尺寸、镜头像圈与光源光谱存在差异，一切以所选型号的官方样本与实测为准；本文为选型与配置思路参考，不替代光学设计复核与现场验光结果。产线节拍、工件公差与安装空间差异大，最终配置必须经实物验证。