工业镜头曝光时间 【光学知识】曝光时间对成像质量的影响

【光学知识】曝光时间对成像质量的影响

曝光时间对成像质量的影响

在任何工业相机应用中，相机的曝光时间是设置的关键。在任意的情况下，由于我们拍摄物体的移动，生成的图像可能会模糊。为了最大程度的优化图像质量，可以计算最小曝光时间来消除模糊并最大化拍摄亮度。在这篇文章中，将帮助了解曝光时间对图像质量的影响并避免它。

什么是曝光时间

曝光时间或快门速度是让光线落在图像传感器上的时间。曝光时间越长，就越能“曝光”传感器为像素充电以使其更亮。快门速度通常以几分之一秒的形式给出，例如摄影相机中的 1/60、1/125、1/1000秒。在工业相机中，曝光时间通常以毫秒为单位，只是快门速度的倒数。（即1/60秒=0.0166秒或16毫秒）。

图像模糊

模糊是当物体相对于传感器移动并在曝光时间内移动跨越2个或更多像素时所得到的。

当拍摄移动速度超过在曝光时间内可以完全静止运动的物体时，就会看到这一现象。在左边的图像中，可以清晰的拍到运动员，但是球移动得非常快，导致看起来很模糊。本例中的曝光时间为 1/500 秒（2 毫秒），但在此曝光期间球移动了许多像素。

快门速度越快，物体相对于它开始的位置移动的可能性就越小。在机器视觉中，相机绝大多数情况下是固定的，所以它们不会移动，但担心的是物体在曝光时间内移动所产生的影响。

根据应用场景的不同，图像处理可能对模糊敏感，也可能不敏感。例如，假设相机横向上的分辨率为2448像素，而传感器上的呈现出来的物体为1000像素。在曝光期间，被拍摄的物体移动1个像素，则在传感器上呈现出来的图像就整体偏移了1个像素，这就是“像素模糊”。

快门速度越快，物体相对于它开始的位置移动的可能性就越小。在机器视觉中，相机绝大多数情况下是固定的，所以它们不会移动，但担心的是物体在曝光时间内移动所产生的影响。

根据应用场景的不同，图像处理可能对模糊敏感，也可能不敏感。例如，假设相机横向上的分辨率为2448像素，而传感器上的呈现出来的物体为1000像素。在曝光期间，被拍摄的物体移动1个像素，则在传感器上呈现出来的图像就整体偏移了1个像素，这就是“像素模糊”。

如何计算最合适的曝光时间

在大多数情况下，都需要没有像素模糊的清晰图像。要计算合适的曝光时间，需要注意以下几点：

l 以像素为单位的相机分辨率（沿行进方向）

l 视野（FOV）

l 物体的速度

l 曝光时间

然后，就可以使用以下公式计算对象在曝光期间将移动多少像素：

B = Vp * Te * Np / FOV

B = 以像素为单位的模糊

Vp = 物体的速度

FOV = 运动方向的视野

Te = 曝光时间（以秒为单位）

Np = 跨越视野的像素数

光虎光学认为，在大多数情况下，产生超过1个像素的拖影时，模糊就会成为一个问题。在精密测量中，即使是1个像素的模糊也可能太多，需要使用更快的曝光时间。

【来源：光虎工业镜头】

机器视觉——工业镜头基础知识整理

01.为什么需要镜头？

镜头等同于小孔成像中小孔的作用。不同的是，一方面镜头的透光孔径比小孔大很多倍，能在同等时间内接纳更多的光线，使相机能在很短时间内（毫秒到秒级）获得适当的曝光；另一方面，镜头能够聚集光束，可以在相机胶片上产生比小孔成像效果更为清晰的影像。

Ⅰ.镜头的组成

机器视觉常用定焦镜头，并且都是手动调整光圈，一般不允许自动调整光圈，镜头上有调焦环和调光圈环两个环，为了防止误碰动，工业镜头的两个环都有锁定螺丝。

注意调焦环不是用来调整焦距，而是调整像距，保证清晰图像落在焦平面上

Ⅱ.工业镜头的接口

物镜的接口有三种国际标准：

F接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头，当物镜的焦距小于25mm时，物镜的尺寸不大，一般采用C型或CS型接口

C跟CS的区别：

C与CS型接口的区别在于镜头与相机接触面（基准面）至相机焦平面（摄像机CCD光电感应器所处位置）的距离，即法兰距不同，C型接口法兰距为17,562mm，CS型接口法兰距为12.5mm

C型接口镜头与CS型相机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用，CS型接口与C型接口相机无法配合使用。

Ⅲ.工业镜头的基本参数

视场： Field of View，即FOW，也叫视野范围，指可以观测到的物体的可视范围。

工作距离： Working Distance，指从镜头前部到受检物体表面的距离，在该距离下镜头可以清晰成像。

分辨率： Resolution，指镜头可清晰分辨被拍摄物体细节的能力，在像平面1mm内可以分辨开的黑白相间的线条对数，分辨率的单位是“线对/毫米”（lp/mm）。一般说的百万像素级的镜头,分辨率为100对/mm。

景深： Depth of View，在景物空间中，位于调焦平面前后一定距离内还能够清晰成像的纵深距离，也就是在实际像平面上获得相对清晰影像的景物精简深度范围。

焦距： Focal Length，焦距是从镜头的中心点到焦平面上所形成的清晰影像之间的距离，焦距数值小，视角大，所观察到的范围也大，但距离远的物体成像不是很清晰，焦距数值大，视角小，观察范围小，但距离较远的物体也可以清晰成像，有定焦和变焦两种镜头型号。常见的工业镜头焦距有：5mm、8mm、12mm、25mm、35mm、50mm、75mm等。一般来讲，焦距越小，价格越贵。

光圈： Iris，是一个用来控制光线透过镜头进入机身内感光面光量的装置，在拍摄高速运动物体时候，由于曝光时间短，需要使用大光圈。光圈大小一般用F表示，以镜头焦距f和通光孔径直径D的比值来衡量，当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离越远，F值越大，光圈越小；反之，F值越小，光圈越大。一般通过调整通光孔径大小来调节光圈，完整的光圈数值系列如下：F1，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32，F44，F64。

光圈F数值每升高一个等级，意味着通光孔径的面积即进光量降低一半。

Ⅳ.最大兼容尺寸

所有镜头都只能在一定的范围内清晰成像，最大兼容CCD尺寸是指镜头能支持的最大清晰成像的范围。在实践选择相机和镜头时，要注意所选择的镜头的最大兼容CCD尺寸要大于或等于相机芯片的尺寸。

CCD芯片尺寸的大小如下图所示：

Ⅴ.畸变镜头

镜头在成像时，图像会产生形变，这种情况叫做镜头的畸变。

镜头畸变是由于镜头的光学结构和成像特性导致的，一般有桶型畸变和枕型畸变两种。视野中局部放大倍数不一致会造成图像扭曲。拍摄的视场越大，所用的镜头的焦距越短，畸变的程度就越明显，可以通过图像标定减弱这种平面畸变。

Ⅵ.镜头的选择

1.根据视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离进行选择时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。

2.对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下，尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端镜头。

3.芯片大小和相机接口 ：例如2/3”镜头支持最大的工业相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。

4.注意与光源的配合，选配合适的镜头 。

02.摄影相关

快门： 快门是相机里控制曝光时间的装置，曝光时间就是快门从打开到关闭的时间。曝光时间长，进光量多，适合光线条件差的情况，曝光时间短，适合光线比较好的情况。

ISO： 感光度，是相机对光线的敏感程度，同样光线条件下，ISO值越高，所需的曝光时间越短。高ISO拍照速度快，但是噪声也随之增大；低ISO拍照画质质量高，但是需要的曝光时间增加，画面容易糊

为了保证画质，在拍摄时应尽量使用低的ISO，通过调整光圈和快门速度（曝光时间）来控制曝光。

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