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選擇能使熱像儀效果達(dá)到最優(yōu)程度的透鏡

發(fā)布時(shí)間：

　　當(dāng)我們?cè)跒闊嵯駜x選擇紅外透鏡的時(shí)候， 許多因素是必須要考慮的。 這包括正在使用的技術(shù)知識(shí)， 以及對(duì)于圖像的應(yīng)用知識(shí)。 對(duì)于一個(gè)新的熱像儀所用的透鏡 (整套透鏡裝備)， 我們也需要很好地了解不同的價(jià)格預(yù)算可以達(dá)到什么樣不同的結(jié)果。 所以了解紅外透鏡的一些重要常識(shí)可以使得整個(gè)選擇程序更加簡(jiǎn)單和容易。

　　今 天的熱像儀主要運(yùn)用在三個(gè)主要的波段， 或者是感光度。 第一個(gè)是近紅外或者是短波紅外，大概介于0.9-2.5微米; 第二個(gè)是中波紅外， 在3-5微米的范圍內(nèi); 最后是遠(yuǎn)紅外， 范圍介于8-12 微米。 盡管一些紅外鏡頭可以在這些波段以外的區(qū)域運(yùn)行， 但是大體上， 他們?cè)谶@三個(gè)主要波段所表現(xiàn)出來(lái)的性能是最好的。

　　事實(shí)上， 這些熱像儀的透鏡一般被設(shè)計(jì)為可以運(yùn)行于一組波段上， 不論是在之前提到的波段中的任意一種， 還是多于一種。 舉個(gè)例子， 1.5 到 5 或者是 3-12微米。 當(dāng)設(shè)計(jì)為運(yùn)行于單獨(dú)的波段的時(shí)候， 許多因素都決定了它們的性能， 包括了原材料的選擇， 透鏡的厚度， 空氣間隔， 表面彎曲， 以及鍍膜。

　　例如， 一個(gè)紅外鏡頭可以在長(zhǎng)波上達(dá)到最優(yōu)化的同時(shí)， 在短波3微米的地方也會(huì)有些敏感度。 對(duì)于一個(gè)特定的應(yīng)用， 我們可能需要用到鏡頭感光度的全部范圍。 如果一個(gè)透鏡只是被設(shè)計(jì)為可以運(yùn)用在遠(yuǎn)紅外的范圍， 也僅僅只是通過(guò)鍍不同的膜系去達(dá)到它在整個(gè)范圍內(nèi)的最大穿透率， 那么在8微米以下的波段， 成像的品質(zhì)就會(huì)比較不足。為了確保成象的質(zhì)量， 我們可以通過(guò)考慮以上列出的種種因素，將透鏡設(shè)計(jì)為在整個(gè)3-12微米波段范圍內(nèi)都可以運(yùn)用的鏡頭。

　　

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　　成像大小

　　透鏡需要成像去填充熱像儀的焦平面陣列， 或者探測(cè)器。 這些陣列是矩形的或方形的。 但是透鏡在焦平面上呈現(xiàn)的是圓形的影像。 這就需要透鏡生成圖象的直徑等于， 或者大于陣列的對(duì)角線。 如果圖象不能填充探測(cè)器的區(qū)域， 所產(chǎn)生的效果通常被歸類為漸暈。 它們通常出現(xiàn)在模糊的， 灰或黑暗的角落， 或者是圖象的邊緣， 這取決于漸暈的嚴(yán)重程度。

　　對(duì)于這一規(guī)則唯一例外的是當(dāng)我們?cè)谔幚眙~眼透鏡的時(shí)候， 這種透鏡在焦平面陣列的尺寸里產(chǎn)生的是一種半球的影像。 如果熱像儀的探測(cè)器陣列尺寸沒有資料說(shuō)明， 它則可以通過(guò)簡(jiǎn)單的三角學(xué)定理來(lái)進(jìn)行計(jì)算， 如果我們知道像素和象元大小。舉個(gè)例子，320x240像素和50微米的象元尺寸等同于一個(gè)20毫米的對(duì)角線。

　　后截距

　　從鏡頭組的后端到焦平面陣列的距離就被稱為后截距。 透鏡必須要安裝正確， 以至于它的圖像和紅外鏡頭里的焦平面陣列在同一位置。 一般地， 紅外鏡頭在透鏡和陣列之間需要一個(gè)接頭來(lái)決定透鏡的正確使用。 有時(shí)候， 也可以通過(guò)盡可能減小這個(gè)接頭來(lái)減少透鏡的大小， 使它可以盡可能靠近陣列。

　　在熱像儀里， 后截距更像代表紅外透鏡的特征。 一個(gè)短焦點(diǎn)距離的鏡頭可以通過(guò)使用一個(gè)轉(zhuǎn)接器或者隔圈被轉(zhuǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)焦點(diǎn)距離的鏡頭。 例如， 一個(gè)要求有至少10毫米距離的紅外成像儀可以備有一個(gè)30毫米后焦點(diǎn)距離的透鏡， 通過(guò)使用一個(gè)20毫米的隔圈。

　　然而， 反過(guò)來(lái)卻是不可行的。 一個(gè)成像在10毫米距離的透鏡就不可以適當(dāng)?shù)乇话仓迷谝粋€(gè)需要最低30毫米的紅外鏡頭上。

　　焦距

　　透鏡一般都是通過(guò)焦距來(lái)表示的，有時(shí)被認(rèn)為是有效焦距。 當(dāng)焦距增加的時(shí)候， 透鏡的視野會(huì)相應(yīng)的變窄。 相反地， 當(dāng)焦距減少的時(shí)候， 視野會(huì)相應(yīng)的變寬。 當(dāng)計(jì)算的時(shí)候， 我們用一半圖像面積的反正切除以焦距， 再乘以2。 例如， 計(jì)算一個(gè)50毫米透鏡在一個(gè)20mm對(duì)角焦平面陣列中， 決定全部視的公式如下:

　　(arctan((0.5x20)/50mm))x2= 22.6度

　　非常重要地， 我們需要知道是否一個(gè)透鏡是被區(qū)分橫向視野或者是縱向視野。 這是紅外鏡頭公司將用來(lái)確定一個(gè)透鏡的最長(zhǎng)見的形式。 橫向的數(shù)據(jù)將會(huì)幫助確定跨越焦平面陣列寬度的角度。 而縱向視野則提供了跨越陣列高度的角度。 我們可以用同樣的公式去計(jì)算橫向和縱向視野， 通過(guò)替換可行的陣列尺寸。

　　一些制造商通常也通過(guò)焦距來(lái)對(duì)透鏡分類。 許多遠(yuǎn)焦距透鏡被稱為:

　　•- Telephoto, 當(dāng)它們的實(shí)際尺度小于它們的有效焦距。

　　•- Normal, 當(dāng)透鏡生成的影像接近于我們?nèi)庋劭梢钥吹降挠跋?/p>

　　•- Wide angle, 透鏡生成的景象比普通的視野更廣闊。 當(dāng)透鏡的視野大于150度的時(shí)候， 我們通常稱之為魚眼。

　　最常見的兩種專業(yè)透鏡是多視野變焦透鏡和連續(xù)變焦透鏡。 多視野變焦透鏡被設(shè)計(jì)為可以在兩個(gè)或多個(gè)焦距中轉(zhuǎn)換， 而連續(xù)變焦透鏡能夠保持焦點(diǎn)在兩種邊界焦距的任何一個(gè)地方。 這些類型的透鏡可以觀察一個(gè)景象和在轉(zhuǎn)化的焦距的景象里放大一個(gè)物體。 例如， 一個(gè)50/250的雙視野透鏡可以從50毫米的焦距轉(zhuǎn)化到250毫米的焦距， 從而可以將正在觀察的物體放大五倍。

　　F 數(shù)值

　　一個(gè)透鏡的F數(shù)值決定著光通量， 或者更確切的說(shuō)， 在紅外成像里， 決定著在焦平面陣列上轉(zhuǎn)換的能量。 這個(gè)數(shù)值能夠反映出透鏡怎樣有效地影響圖象的清晰度。 F數(shù)值越小， 我們所需要的光學(xué)元件就越大， 這意味著將會(huì)有更多的能量被傳遞到陣列中。 F數(shù)值也被認(rèn)為是透鏡速率。 例如， 我們會(huì)認(rèn)為 f/2.3 的透鏡傳輸速率比f(wàn)/4.0的透鏡快。

　　某些熱像儀需要在透鏡和焦平面陣列間配置一個(gè)光欄。 在一些致冷熱像儀和一些未致冷微型測(cè)熱儀中， 這種以光欄控制口徑大小的方式是常見的。 光欄可以攔截有害的輻射。 對(duì)于這些透鏡來(lái)說(shuō)， 光欄的大小決定了所使用透鏡的f值的大小。

　　這個(gè)光欄將會(huì)被放置在瞳孔的地方。 在這些類型的紅外鏡頭中， 最理想的透鏡應(yīng)該和在適當(dāng)?shù)墓鈾谏匣蛘咄孜恢蒙系膄 數(shù)值一致， 盡管我們可以用一個(gè)更快的透鏡。

　　當(dāng)鏡頭沒有光欄的時(shí)候， 在我們選擇f 值的時(shí)候就會(huì)有更多的靈活性。 然而這些主要是非致冷長(zhǎng)波紅外裝置， 通常對(duì)能量沒有那么敏感。 要建立最清晰的圖象， 我們就需要比較低的f 值， 或者， 取決于應(yīng)用， 它可以是一個(gè)折衷的數(shù)字使得透鏡的大小和重量最小化。

　　景深

　　景深通過(guò)使用最近的和最遠(yuǎn)的看似清晰的物體來(lái)決定。 當(dāng)一個(gè)透鏡聚焦物體時(shí)，物體外的景色都在焦平面上，它被認(rèn)為是無(wú)限聚焦位置。 在這個(gè)位置上， 最靠近的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的物體被稱為超焦距。

　　對(duì)于一個(gè)特殊的應(yīng)用， 必需要接近物體以達(dá)到最大的放大倍率。 最小的物距將決定于調(diào)焦多近來(lái)觀察到這個(gè)物體。 對(duì)于一個(gè)50英尺的超焦距透鏡來(lái)說(shuō)， 我們也可以通過(guò)調(diào)節(jié)焦距在10英尺觀察到這個(gè)物體， 這被認(rèn)為是最小物距。 熱像儀使用者期望在10英尺內(nèi)任何沒有對(duì)焦的物體。

　　在10英尺 以外會(huì)有一小部分范圍會(huì)呈現(xiàn)對(duì)焦-----景深-----然而這個(gè)很小的范圍也是很主觀的。 在可見光攝影中， 減慢f 值的光學(xué)元件通常被用來(lái)增加景深。 然而， 如我們之前討論的， 紅外熱像儀的透鏡是典型的快速的光學(xué)元件。 所以為了圖象質(zhì)量， 景深就被犧牲掉了。

　　性能

　　由于大多數(shù)人對(duì)透鏡的設(shè)計(jì)不是很了解， 除了主觀視覺的評(píng)價(jià)外， 一般很難判斷一個(gè)透鏡的性能。 最常用的方法就是依靠調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量， 它決定一個(gè)透鏡解析圖象細(xì)節(jié)的能力。 了解它最簡(jiǎn)單的方法就是假設(shè)看著一面磚塊墻， 然后逐漸后退直到再也分辨不出單獨(dú)的磚塊。

　　一個(gè)常被考 慮的更明顯的性能特征就是畸變， 它對(duì)于廣角透鏡和魚眼透鏡是最重要的。 這些類型的透鏡表現(xiàn)出桶形的畸變， 圖象的角落被拉向中心。 一些紅外熱像儀公司會(huì)依靠電子技術(shù)或者軟件來(lái)抵消這種畸變。 實(shí)際上， 許多商業(yè)上的數(shù)碼圖象編輯軟件都可以為影像的失真進(jìn)行效正。 對(duì)于實(shí)時(shí)廣角觀察又需要很小的畸變， 那么就有必要使用一個(gè)特定設(shè)計(jì)的透鏡。

　　另外一個(gè)重要的性能特征就是光斑大小。 一個(gè)典型的焦平面陣列有好幾萬(wàn)的象素， 而紅外能量則可以被想象成為光斑進(jìn)入到每一個(gè)象素。 如果一個(gè)透鏡是衍射極限型的， 而且聚焦光斑超過(guò)了象元的尺寸大小，那么紅外鏡頭就失去了解析圖象細(xì)節(jié)的能力。

　　衍射極限的透鏡是很少見的。 可是， 因?yàn)楫?dāng)使用在不同的焦平面陣列配置上， 透鏡解析的圖象細(xì)節(jié)會(huì)不同。 光斑的大小呈現(xiàn)在中心象素上和呈現(xiàn)在邊緣象素上的也會(huì)不同。 所以一個(gè)透鏡可能在軸上呈現(xiàn)出有限衍射的性能， 卻不能在軸外。

　　盡管一個(gè)衍射極限的透鏡看起來(lái)是完美的透鏡。 當(dāng)我們拿一個(gè)透鏡與另外一個(gè)做比較時(shí)， 由于視覺的驗(yàn)證過(guò)于主觀而不能夠很好的區(qū)分它們的性能特征。 因此， 我們必須要知道這個(gè)透鏡和紅外熱像儀是否兼容。 所以你可以要求透鏡的廠商去調(diào)整其兼容性或者推薦另外一種透鏡。

　　透過(guò)率

　　F數(shù)值涉及到的是圖象清晰度， 而透過(guò)率則涉及到的是圖象的亮度。 紅外透鏡的透過(guò)率值代表著在一定波段上光透過(guò)透鏡的能量的程度。 如果我們說(shuō)一個(gè)透鏡的透過(guò)率是94%， 那么意味著有平均94%的能量將會(huì)透過(guò)這個(gè)透鏡。 其余的6%的能量可能被反射回去， 或者被吸收了。

　　因?yàn)橥高^(guò)率在不同波段上會(huì)變化， 所以我們一般會(huì)取平均值。

　　影響透過(guò)率值的因素包括光學(xué)材料， 增透鍍膜， 衍射曲面， 以及透鏡裝配中光學(xué)元件的數(shù)量。 一般最終消費(fèi)者是很難知道這些因素的細(xì)節(jié)的。 所以透過(guò)率和性能就必需要被測(cè)量， 去決定這個(gè)透鏡是否可以用在某種特定的應(yīng)用。

　　如果一個(gè)透鏡被設(shè)計(jì)為在一個(gè)寬溫度范圍內(nèi)保持聚焦， 它將會(huì)被認(rèn)為是絕熱的。 如果一個(gè)應(yīng)用要求紅外透鏡能夠使用在可以感覺到的溫度波動(dòng)的環(huán)境里， 那么圖象將被需要重新調(diào)焦。

　　重新調(diào)節(jié)焦距的程度會(huì)根據(jù)不同的透鏡而有所不同。 長(zhǎng)焦距更可能通過(guò)溫度的變化而被重新調(diào)焦。

　　被動(dòng)式的無(wú)熱設(shè)計(jì)采用不同的機(jī)械和光學(xué)材料來(lái)補(bǔ)償熱膨脹效應(yīng)。主動(dòng)式的無(wú)熱設(shè)計(jì)則采用電子方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)移動(dòng)透鏡位置以補(bǔ)償溫度變化的影響。

　　最后要考慮的是怎樣將透鏡裝配到鏡頭上。 為了達(dá)到效果， 正確的裝配是非常重要的。 最常見的三種方式是法蘭， 螺紋和 卡口類型 (也可以被認(rèn)為是扭鎖)。 一個(gè)法蘭 裝配的鏡頭通過(guò)在透鏡卡口和攝像機(jī)外殼上搭配一個(gè)螺栓孔來(lái)和鏡頭一致。 當(dāng)我們需要緊質(zhì)的密封或者透鏡要永久固定在鏡頭上的時(shí)候， 我們通常會(huì)選擇這個(gè)方法。

　　對(duì)于其它的兩種類型， 不同的透鏡是可以互換的。 螺紋接口是一個(gè)低成本的途徑， 卡口類型是最方便的方法， 只是簡(jiǎn)單的一扭就可以把透鏡固定在一個(gè)位置， 也可以旋開將其卸下。 后者有更精細(xì)的外形， 然而比起其余兩種， 它的成本要高出許多。

　　做為小結(jié)，鑒別熱像儀的品質(zhì)高低有很多的變量去考慮，而所采用的紅外透鏡則是主要的鑒別工具。