如何利用镜头光圈优化提升视觉成像质量

光圈与瞳孔  

人眼中有虹膜和瞳孔，瞳孔是人眼中允许光线通过的开口。相机镜头也运行着一个类似人眼的系统，但这个光圈由金属片制成，这些金属片会聚形成光圈，光圈中心有一个开口。镜头的虹膜就是光圈，光圈最终会影响相机拍摄的最终图像。

光圈越小，光线就越集中，景深（DOF）就会更大。这与到达传感器的光量成反比。因此，在尝试获得明亮且聚焦的图像时，光圈起着重要作用。但是有时候光圈与焦点以及亮度的关系可能并不理想。这篇博文介绍了调整光圈的各种方法、如何利用光圈光学的影响，并提供了在各种条件下获得明亮且聚焦图像的替代选项。  

什么是光圈？ 

镜头的光圈是光线通过到达相机的开口。调整光圈意味着使用通常由镜头内金属刀片或叶片组成的镜头光圈使开口更大或更小。光圈叶片数可能会有很大差异，如图2中各种镜头光圈的比较所示。 光圈开口大的镜头称为大光圈镜头。当虹膜/光圈开口只稍微打开一点时，这种镜头称为小光圈镜头，如图3所示。

F-stop（光圈系数）

光圈开口越大，用来表示其大小的数字就越小，这一点比较难以理解。光圈通常使用f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16（例如读作“f 16”）等进行标记。与f/16相比，f/2代表的光圈更大，这似乎令人非常不解，其实因为在于这些数字都是分数。就好比½个比萨和1/16个比萨对比。在这种情况下，很明显，f-stop数值较低表示镜头光圈开口较大，以便更多光线进入。

景深（DOF）和亮度 

打开相机的镜头光圈后，光圈会增大并允许更多光线到达传感器。因此相机会拍摄出非常明亮的图像。但是，如果光圈开口过大，则会导致DOF显著降低。这种现象通常被称为窄DOF。DOF是图像中保持聚焦的最近和最远目标之间的距离。
DOF和通过镜头的光量成反比。因此，要使图像充分聚焦，同时又要有足够的光线清晰照亮目标，可能是一项艰巨的挑战。 但是，到达传感器的光线减少并不意味着相机不能利用更大的DOF。使用额外的照明（无论是添加设备还是确保阳光充足）可以利用较小的光圈，例如在晴天拍摄图6使用的是f/25光圈。此图中显示了枫树的树枝，顶部图像使用的光圈为f/25，底部图像使用的光圈为f/5。光圈较小，图像越多部分会处于聚焦位置，从而提供有用的信息拍摄更远的目标。 此外，通过使用可以捕获RAW图像的相机，例如Teledyne Lumenera Lt1245R，可以对图像进行处理，显示出的图像数据比默认显示数据更多。图7举出了一个示例，可以通过操纵图像数据来显示似乎很暗沉的目标。将增强的f/36图像与使用f/5.6光圈成像的相同目标进行比较时，可以看到DOF的差异。

增益 

为了调整获得更大的DOF并使大部分图像聚焦，相机可能需要增加增益值。增加增益后，灵敏度会提升，虽然会产生更明亮的图像，但图像会包含更多的噪点，如图8所示。过于依赖增益来提高图像亮度而不是让更多光线进入光圈更宽的镜头可能会导致拍摄的图像质量差。延长曝光时间，而不是增加增益，可以使噪声更少，但如果目标处于移动状态，可能会导致图像变模糊，这种图像模糊问题更难解决。增益、快门速度和光圈之间达到适当平衡的状态有助于提高图像亮度，而不会引入过多的噪声，同时保持目标聚焦。

快门速度 

除了调节相机增益或镜头光圈之外，还可以调整快门速度。快门关闭传感器的速度越快，通过的光线就越少，从而最大限度地减少传感器曝光的时间。使用较慢的快门速度称为长时间曝光拍摄。让相机在更长的时间内在光线下拍摄，目标会更明亮。但是，如果目标静止不动，这也可能导致图像发生动态模糊，其中使用慢快门速度捕获车辆图像。因此，诸如车辆之类的移动目标可能需要更快的快门速度，并结合更大的光圈和更高的增益来确保照明充足。  

应用

光线不足时，使用大光圈可能会是一个优点。对于机器视觉检测甚至低空航空成像等高帧率应用，亮度提升有助于确保图像具有清晰的图像数据。 在进行机器视觉检测时，如果被成像物品数量增加，那么对帧率的需求也会增加。光圈也需要按比例增加，以确保高帧率录制可以在充足的光线条件下成像。然而，如前所述，光圈增加会导致DOF变浅，DOF变浅对目标与镜头之间的距离容差最小。这种类型的浅DOF在传送带系统中得到了非常有效的利用，参见图10，在传送带系统中，产品不断以固定距离高速通过相机，但图像仍聚焦、明亮。此外，使用大光圈后，相机可以清晰分离目标前景和由于DOF较浅而可能存在于图像背景中的任何其他物体。 光圈较小也对需要较长DOF的应用有帮助。实现更长的曝光或使用更高的增益，相机仍然可以拍摄出明亮的图像，同时保持更多内容聚焦。对智能交通系统（ITS）等成像应用而言，这种配置很实用，这些应用面临的典型问题是确保相机能够对不同距离的车辆进行清晰成像。

P-Iris（一种精确镜头光圈控制器）

讨论如何利用镜头光圈期间，提出了一个重要的警告。相机光圈通常在部署前配置，有时需要根据系统或操作条件的变化不断手动调整。解决这个问题需要利用可以快速调整到相机的准确光圈值的软件解决方案，而无需物理靠近。Precision Iris（精确光圈），也称P-Iris，是一种无需事先配置镜头即可调整光圈的软件解决方案。P-Iris能够可靠保持并返回至特定的光圈值，同时还能够在增益和快门速度处于预定极限的艰难条件下调节光圈。 Teledyne Lumenera LtX45R相机系列中的每款相机都配备了接受P-Iris镜头的控制器。如需了解P-Iris的更多信息，请仔细阅读博文《视觉系统需要采用P-Iris镜头的理由》（文章链接：https://www.lumenera.com/blog/why-you-should-be-using-a-p-iris-lens-in-your-vision-system）。                            

结论

大多数成像系统一直以来都面临着是否能够拍摄光线充足且聚焦清晰的图像的问题。然而，许多成像系统的实际情况是，在不受控环境（例如户外应用）中，光线可能并不充足或变化较大。通过了解光圈的光学影响及其与快门速度和增益的关系，可以进行精确调整，以优化成像系统，确保即使在最具挑战性的条件下也能够捕获到最佳图像。

审核编辑：郭婷