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22
2025
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光学部16：镜头的光圈调节都改变了什么？
光圈是镜头上调控入射光通量的部件，能直接改变成像的亮度。
但它的作用不止于此——
调节光圈时，成像的多项关键性能都会发生变化，这些变化对机器视觉系统的工作效果影响很大
一、光圈是什么
在机器视觉系统中，镜头的光圈是精密调控入射光通量和成像性能的核心参数之一。
镜头的光圈一般为固定光圈，手动可调光圈，电动光圈三种。
我们可以用一个通俗易懂但不太恰当的例子来说明镜头的光圈
——镜头的光圈好比水龙头的阀门。
水龙头的阀门可以调节单位时间的进出水量，镜头的光圈可以调节单位时间的进出光量。
对镜头生成的图像来说，图像的亮度就会随光圈的变化而发生变化。
当然，除了镜头的光圈，相机的曝光时间和环境光照的变化也会影响图像的亮度。但我们今天只讨论镜头的光圈。
调节镜头的光圈除了能改变图像的亮度以外，还会对成像有哪些影响呢?
二、光圈对成像的影响
工业镜头的光圈调节，远不止控制画面亮度。 还有两个核心的成像指标：景深(清晰成像的纵深范围)和分辨率(识别细节的能力)。
这两项参数的改变，直接决定了视觉系统在检测带高度差结构或精细工件时的有效性与精度。
景深
镜头光圈的调节首先会带来镜头成像景深的变化。
当光圈调小时，镜头的景深会变大，当光圈调大时，镜头的景深会变小。
景深 ΔL=ΔL1+ΔL2=（2f2FδL2）/（f4−F2δ2
上面的公式里F就是镜头的光圈值，光圈变化造成景深变化的原因如下图：
景深在实际的视觉检测中经常起着非常重要的影响。
因此，当我们需要在不影响景深的前提下改变图像亮度时，最好不要调节镜头的光圈。
我们优先要考虑调整光源的亮度来做补偿，虽然调整曝光时间也可以达到目标，但曝光时间的调整还可能会影响到图像的采集速度等。
比如在夜晚，我们用相机或手机拍照时，为了能有足够的进光量保证图像清晰，一般镜头都会开比较大的光圈，且相机的曝光时间都会增大，还会开闪光灯。
这时拍摄的图像一般会有几个问题：
1、图像背景虚化更明显(景深变小的原因);
2、动态的区域图像会有拖影(曝光时间变大的原因)。
分辨率
衍射光斑直径= 2.44λF=2.44λf/D
(其中F代表光圈值,D是入瞳直径)
调节光圈本质是改变入瞳直径
大光圈意味着F数值小=入瞳直径大
小光圈意味着F数值大=入瞳直径小
我们知道镜头分辨率上限是由工作波段和光圈共同决定的，在多数高分辨率成像系统中，减小镜头的光圈会增大衍射光斑的尺寸，降低图像的分辨率。
因此，在缩小镜头光圈的时候我们可以通过镜头成像效果看出镜头的分辨率明显下降。
所以，通过大幅度减小光圈换来大景深的方式也需要考虑因分辨率下降带来的图像质量变差的问题。
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