简介

嵌入式系统需要外形紧凑且重量轻的成像方案。由于嵌入式系统本身潜在的尺寸限制，很难再增添到相机系统中。但是，有些相机选项具有更轻巧、更简约的设计。

工业相机通常有保护外壳，将相机装入空间狭小的视觉系统时可能会遇到问题。如果根据现有设计已经预先确定了需要安装相机的尺寸，那么对于许多设备来说，安装带外壳的相机可能会有点难度。此外，对于许多采用嵌入式系统的应用，由于机械和电气设备的限制，重量成为了一个关键的考虑因素。

尽管在某些情况下，探索定制外壳的OEM选项或找到一种方法去除一部分相机外部材料以减小尺寸可能会有用，但板级相机是一种更简单且更具成本效益的方法来克服这些挑战。无需增加外壳重量，也无需缩小尺寸（将传感器暴露在PCB上），相机可适应通常不适合的许多应用。本文档将介绍板级相机在视觉系统中发挥作用的各种原因、板级相机的应用，并探讨市场上可用的板级相机选项。

板级相机设计

① 重量轻

通过最大限度地减少相机的构成材料，视觉系统可以减少移动相机或其他附加组件所需的工作量。板级相机非常适合有重量限制的应用或使用内部电源移动相机的应用。电池供电的设备是一个很好的例子，可以说明减轻重量如何通过延长电池寿命来改善应用，从而增加成像时间。

② 外形紧凑

与拆除外壳减轻重量类似，板级相机也可以释放大量空间。许多应用可能有预先设计，这些设计只能容纳特定尺寸的视觉系统。因此，无需额外材料、更轻薄的设计可以将相机安装到更紧凑的空间中。选择板级相机可以让更多应用不断添加最新的成像技术，而不影响整体尺寸。要充分了解板级相机所能带来的优势，请看OEM制造商的情况。能够在不需要对外壳或机身进行改动的情况下集成相机，是Teledyne Lumenera生产新系列板级相机的主要目标之一。许多OEM视觉系统已经有了一个整体产品的外壳，无需再为相机本身提供一层保护。通过减少所需材料，也可以减少整个视觉系统的重量和尺寸。图1表明板级相机显然具有最紧凑和最轻薄的设计。

图1 Teledyne Lumenera相机与右侧板级相机的尺寸比较

应用

① 航空成像

尺寸、重量和功率限制（SWaP）通常是某个相机无法安装到无人机上的原因。由于这些限制，较大尺寸的相机一直阻碍航空成像应用提高成像性能。因此，板级相机的设计应考虑无人机的使用，以更小的尺寸提供高性能的成像功能。

与无人机一起使用的板级相机具备一些实用性很强的设计考虑。例如，连接器在侧面的板级相机允许相机占用更少的垂直空间。与背面的传统连接器不同，这种放置方式便于在设备内堆叠组件。通过将板级相机放置在另一个组件下方而不是让电线产生间隙，航空成像系统可以采用更紧凑的设计。视觉系统尺寸的比较如图2所示，上面显示的是连接器在背面的全尺寸带外壳的相机，下面显示的是连接器在侧面的板级相机。

图2 带外壳的较大相机和板级相机在无人机成像方面的视觉比较

尺寸通常也会影响重量。板级相机的小巧设计有助于减少无人机等成像系统的负载。电池供电的无人机设计需要通过减轻重量来增加飞行时间。无人机越重，电机就越需要工作以产生足够的飞行推力。因此，无人机将不得不使用更多的电力，所以耗电更快，从而减少了整体飞行时间和系统可以捕获的图像数量。

在航空成像方面，少即是多。从上方拍摄大面积区域时，更容易获得稳定的地面图像。这意味着不需要对大量运动进行成像，从而使视觉系统在较低帧率下正常工作。Teledyne Lumenera Lt系列板级相机的帧率范围为22-162fps，可为各种航空成像应用提供灵活性。凭借小巧的外形尺寸，板级相机可用于多相机同步。如需从鸟瞰角度对大面积区域进行成像，使用多台较小的相机比使用单台大相机来提高水平分辨率更实惠。

② 便携式/手持式设备

当需要搬运视觉系统时，拥有最紧凑的系统可能决定设计的成败。如果没有足够小的视觉组件，设备可能不适合移动使用。对于Teledyne Lumenera而言，适配紧凑型设计从一开始就是开发具有板级支持的相机系列的主要原因。用于各类环境的手持式视觉系统将极大地受益于这种极小的相机设计，因为它将直接影响视觉系统的易用性和使用舒适度，并且重量更轻、尺寸更小。

开发便携式或手持式视觉系统的最大障碍通常是光学元件。即使板级相机具有如此轻薄的外形尺寸，大尺寸镜头（如长焦镜头）也会增加产品的重量和体积。因此，最大限度地减少视觉系统的整体占用空间能让相机镜头有更多的选择。由于镜头不能做得更小，所以拥有一个更小的相机，如板级相机，可以起到很大的作用。此外，通过使用板级相机，还可以使用各种镜头安装选项。灵活性的提高有助于确保视觉系统能够采用合适的镜头。

针对短距离可靠的高速数据传输，USB3相机是不错的选择。与笨重的相机接口不同，USB3相机具有非常轻的支持硬件，提供了许多节省空间的选项。为了最大限度地减少布线占用的空间，可购买一根带有90度USB连接器的USB3数据线，如图1所示，与Lt系列板级相机进行连接。

③ 户外成像

户外成像应用中，太阳光线会不断变化。光线不断变化的问题是，没有一种滤光片方案可以考虑到户外成像可能出现的所有不同类型的条件。因此，需要考虑的最重要的事情之一是，在光线不断来自不同方向并投下独特阴影的情况下，相机将如何准确捕捉细节。动态范围是指相机识别高亮光和阴影细节的能力。

高动态范围是指能够从明亮和黑暗区域保留大量细节的能力。动态范围值以分贝表示，单位为dB。由于动态范围是对相机所能捕捉到的亮度的最低值到最高值的测量，因此动态范围越高越好，因为这代表了相机可以捕获图像的环境范围更大。低动态范围和高动态范围之间的对比如图3所示，其中细节和颜色在高动态范围内更清晰。

图3 动态范围的比较

④ 生命科学

由于病人和各种专业设备的高需求，诊所空间有限，选择安装紧凑型设备会有很大的帮助。此外，医学成像设备通常采用台式设计。

在尺寸方面，板级相机的设计与许多外形尺寸和外壳兼容，以确保轻松集成到医疗设备中。医疗设备的尺寸通常在规划阶段就已经确定，这导致成像设备缺乏灵活性。这意味着大型相机解决方案将无法通过第一轮讨论，因为如果无法将相机安装在设备中，性能再好也无关紧要。

与类似尺寸的相机模块竞争时，板级相机可直接替代许多寻求图像质量升级的成像解决方案。板级相机模块通常只是一个裸相机，但合适的板级相机可添加额外的设计选择，帮助相机集成到视觉系统中。其中包括更轻薄的设计、侧面装的连接器和多种镜头类型选项。

TELEDYNE LUMENERA LT系列板级相机

某些视觉系统需要更紧凑、更轻便的解决方案，而这些是标准工业相机无法提供的。幸运的是，Teledyne Lumenera Lt系列板级相机（如图4所示）配备了强大的传感器技术，包括Sony®全局快门Pregius™和卷帘快门Starvis™ CMOS传感器。拥有像素在200至2000万不等的多种板级相机型号，可以满足各种成像应用需求。这些相机在设计时考虑到了嵌入式系统，其背面平齐，电缆连接器在侧面，以最大限度地减少视觉系统所需的空间。

图4 Teledyne Lumenera Lt系列板级相机

⑤ 紧凑成像的镜头选项

镜头不再局限于单一的安装类型。由于Lt系列板级相机设计，相机不包含镜头接口。因此，根据用户最终添加到视觉系统的接口类型，可以使用多种类型的镜头。C、CS和S（M12）镜头接口均可用于想要利用小尺寸优势的嵌入式系统。C接口和CS接口镜头的示例如图5所示。S接口镜头是一个不错的选择，因为其物理结构较小，所以往往要便宜得多。

图5 C接口（左）和CS接口镜头（右）

⑥ 外型轻薄，设计坚固

与传统工业相机不同，Lt系列板级相机没有坚固的外壳。相反，这些轻薄的相机具有小巧的外形，可最大限度地延长视觉系统的总长度。同时也没有牺牲工业相机所需的坚固设计元素。为保护Lt系列板级相机上的PCB和电子元件，Teledyne Lumenera使用工业级连接器将两块板固定在一起，以连接传感器板与USB3接口。这为轻量化设计提供了工业级解决方案。

安装坚固的连接器增加了航空成像等工业应用的价值。知道相机能够防止强烈振动，意味着相机可向上移动至高海拔高度，而无需担心环境条件影响图像采集的完整性。为了进一步改善航空成像，Teledyne Lumenera还提供了一种订购选项，可在相机PCB板上涂上保形涂料，以防潮。博文“利用保形涂料保护航空成像设备”中详细介绍了保形涂料。

⑦ 侧装式连接器易于安装

对于许多应用来说，相机的尺寸是一大卖点。与连接器装在背面的典型工业相机设计不同，板级相机的连接器安装在侧面，允许相机背面平放在其他组件上。在需要更小整体尺寸的成像系统中，采用板级相机允许使用17.1mm薄的相机（最薄14.1mm）以减少视觉系统占用的物理空间，如图6所示。

图6 Lt系列板级相机的紧凑尺寸

Lt系列板级相机还有用于侧面安装连接器的多个可选位置。连接器可以放置在任何一侧，包括左侧、右侧、顶部或底部。对于航空成像等应用，视觉系统可使用立体成像技术，两台相机并排，甚至有两台以上的相机，可将接线放置在任何一侧以最大限度地减少干扰。这种镜头和接线部置的灵活性是整体设计选择的基础，使Lt系列板级相机成为强大的成像解决方案，适用于许多不同的应用。

⑦ 灵敏度更高的新传感器

TELEDYNE LUMENERA LT系列板级相机产品线采用了Sony的Starvis传感器。搭载Sony全新低成本的Pregius传感器，板级相机还结合了市场上最高灵敏度和小尺寸的特点。每次升级，Starvis传感器的灵敏度都在不断提高，与类似尺寸的传感器相比也是如此。

全局快门相机可与板级相机一起使用，但对于快速移动的对象也并非障碍的应用，Lt系列板级相机也有更实惠的卷帘快门选项，具有非常高的灵敏度，证明对弱光环境更有用。背照式传感器颠覆了传统的设计理念。Sony的Starvis传感器系列将成像传感器的光电二极管层转移到传感器的金属布线上方。通过将光电二极管置于上层，更大范围的入射光线可以激发传感器并产生更亮的图像。在传统前照式传感器中，金属线位于光电二极管上方，阻挡了一些进入传感器的光线，如图7所示，图中可以看到背照式传感器的示意图，允许更多光线到达光电二极管并提高相机灵敏度。

图7 传统传感器（左）和背照式传感器（右）