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    選擇能使熱像儀效果達到最優程度的透鏡


    發布時間:

      當我們在為熱像儀選擇紅外透鏡的時候, 許多因素是必須要考慮的。 這包括正在使用的技術知識, 以及對于圖像的應用知識。 對于一個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格預算可以達到什么樣不同的結果。 所以了解紅外透鏡的一些重要常識可以使得整個選擇程序更加簡單和容易。

      今 天的熱像儀主要運用在三個主要的波段, 或者是感光度。 第一個是近紅外或者是短波紅外,大概介于0.9-2.5微米; 第二個是中波紅外, 在3-5微米的范圍內; 最后是遠紅外, 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域運行, 但是大體上, 他們在這三個主要波段所表現出來的性能是最好的。

      事實上, 這些熱像儀的透鏡一般被設計為可以運行于一組波段上, 不論是在之前提到的波段中的任意一種, 還是多于一種。 舉個例子, 1.5 到 5 或者是 3-12微米。 當設計為運行于單獨的波段的時候, 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, 一個紅外鏡頭可以在長波上達到最優化的同時, 在短波3微米的地方也會有些敏感度。 對于一個特定的應用, 我們可能需要用到鏡頭感光度的全部范圍。 如果一個透鏡只是被設計為可以運用在遠紅外的范圍, 也僅僅只是通過鍍不同的膜系去達到它在整個范圍內的最大穿透率, 那么在8微米以下的波段, 成像的品質就會比較不足。為了確保成象的質量, 我們可以通過考慮以上列出的種種因素,將透鏡設計為在整個3-12微米波段范圍內都可以運用的鏡頭。

      

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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, 或者探測器。 這些陣列是矩形的或方形的。 但是透鏡在焦平面上呈現的是圓形的影像。 這就需要透鏡生成圖象的直徑等于, 或者大于陣列的對角線。 如果圖象不能填充探測器的區域, 所產生的效果通常被歸類為漸暈。 它們通常出現在模糊的, 灰或黑暗的角落, 或者是圖象的邊緣, 這取決于漸暈的嚴重程度。

      對于這一規則唯一例外的是當我們在處理魚眼透鏡的時候, 這種透鏡在焦平面陣列的尺寸里產生的是一種半球的影像。 如果熱像儀的探測器陣列尺寸沒有資料說明, 它則可以通過簡單的三角學定理來進行計算, 如果我們知道像素和象元大小。舉個例子,320x240像素和50微米的象元尺寸等同于一個20毫米的對角線。

      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接頭來決定透鏡的正確使用。 有時候, 也可以通過盡可能減小這個接頭來減少透鏡的大小, 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。 一個短焦點距離的鏡頭可以通過使用一個轉接器或者隔圈被轉化為一個長焦點距離的鏡頭。 例如, 一個要求有至少10毫米距離的紅外成像儀可以備有一個30毫米后焦點距離的透鏡, 通過使用一個20毫米的隔圈。

      然而, 反過來卻是不可行的。 一個成像在10毫米距離的透鏡就不可以適當地被安置在一個需要最低30毫米的紅外鏡頭上。

      焦距

      透鏡一般都是通過焦距來表示的,有時被認為是有效焦距。 當焦距增加的時候, 透鏡的視野會相應的變窄。 相反地, 當焦距減少的時候, 視野會相應的變寬。 當計算的時候, 我們用一半圖像面積的反正切除以焦距, 再乘以2。 例如, 計算一個50毫米透鏡在一個20mm對角焦平面陣列中, 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透鏡是被區分橫向視野或者是縱向視野。 這是紅外鏡頭公司將用來確定一個透鏡的最長見的形式。 橫向的數據將會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算橫向和縱向視野, 通過替換可行的陣列尺寸。

      一些制造商通常也通過焦距來對透鏡分類。 許多遠焦距透鏡被稱為:

      •- Telephoto, 當它們的實際尺度小于它們的有效焦距。

      •- Normal, 當透鏡生成的影像接近于我們肉眼可以看到的影像

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

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

      F 數值

      一個透鏡的F數值決定著光通量, 或者更確切的說, 在紅外成像里, 決定著在焦平面陣列上轉換的能量。 這個數值能夠反映出透鏡怎樣有效地影響圖象的清晰度。 F數值越小, 我們所需要的光學元件就越大, 這意味著將會有更多的能量被傳遞到陣列中。 F數值也被認為是透鏡速率。 例如, 我們會認為 f/2.3 的透鏡傳輸速率比f/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光欄。 在一些致冷熱像儀和一些未致冷微型測熱儀中, 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。 對于這些透鏡來說, 光欄的大小決定了所使用透鏡的f值的大小。

      這個光欄將會被放置在瞳孔的地方。 在這些類型的紅外鏡頭中, 最理想的透鏡應該和在適當的光欄上或者瞳孔位置上的f 數值一致, 盡管我們可以用一個更快的透鏡。

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

      景深

      景深通過使用最近的和最遠的看似清晰的物體來決定。 當一個透鏡聚焦物體時,物體外的景色都在焦平面上,它被認為是無限聚焦位置。 在這個位置上, 最靠近的焦點對準的物體被稱為超焦距。

      對于一個特殊的應用, 必需要接近物體以達到最大的放大倍率。 最小的物距將決定于調焦多近來觀察到這個物體。 對于一個50英尺的超焦距透鏡來說, 我們也可以通過調節焦距在10英尺觀察到這個物體, 這被認為是最小物距。 熱像儀使用者期望在10英尺內任何沒有對焦的物體。

      在10英尺 以外會有一小部分范圍會呈現對焦-----景深-----然而這個很小的范圍也是很主觀的。 在可見光攝影中, 減慢f 值的光學元件通常被用來增加景深。 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元件。 所以為了圖象質量, 景深就被犧牲掉了。

      性能

      由于大多數人對透鏡的設計不是很了解, 除了主觀視覺的評價外, 一般很難判斷一個透鏡的性能。 最常用的方法就是依靠調制傳遞函數測量, 它決定一個透鏡解析圖象細節的能力。 了解它最簡單的方法就是假設看著一面磚塊墻, 然后逐漸后退直到再也分辨不出單獨的磚塊。

      一個常被考 慮的更明顯的性能特征就是畸變, 它對于廣角透鏡和魚眼透鏡是最重要的。 這些類型的透鏡表現出桶形的畸變, 圖象的角落被拉向中心。 一些紅外熱像儀公司會依靠電子技術或者軟件來抵消這種畸變。 實際上, 許多商業上的數碼圖象編輯軟件都可以為影像的失真進行效正。 對于實時廣角觀察又需要很小的畸變, 那么就有必要使用一個特定設計的透鏡。

      另外一個重要的性能特征就是光斑大小。 一個典型的焦平面陣列有好幾萬的象素, 而紅外能量則可以被想象成為光斑進入到每一個象素。 如果一個透鏡是衍射極限型的, 而且聚焦光斑超過了象元的尺寸大小,那么紅外鏡頭就失去了解析圖象細節的能力。

      衍射極限的透鏡是很少見的。 可是, 因為當使用在不同的焦平面陣列配置上, 透鏡解析的圖象細節會不同。 光斑的大小呈現在中心象素上和呈現在邊緣象素上的也會不同。 所以一個透鏡可能在軸上呈現出有限衍射的性能, 卻不能在軸外。

      盡管一個衍射極限的透鏡看起來是完美的透鏡。 當我們拿一個透鏡與另外一個做比較時, 由于視覺的驗證過于主觀而不能夠很好的區分它們的性能特征。 因此, 我們必須要知道這個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整其兼容性或者推薦另外一種透鏡。

      透過率

      F數值涉及到的是圖象清晰度, 而透過率則涉及到的是圖象的亮度。 紅外透鏡的透過率值代表著在一定波段上光透過透鏡的能量的程度。 如果我們說一個透鏡的透過率是94%, 那么意味著有平均94%的能量將會透過這個透鏡。 其余的6%的能量可能被反射回去, 或者被吸收了。

      因為透過率在不同波段上會變化, 所以我們一般會取平均值。

      影響透過率值的因素包括光學材料, 增透鍍膜, 衍射曲面, 以及透鏡裝配中光學元件的數量。 一般最終消費者是很難知道這些因素的細節的。 所以透過率和性能就必需要被測量, 去決定這個透鏡是否可以用在某種特定的應用。

      如果一個透鏡被設計為在一個寬溫度范圍內保持聚焦, 它將會被認為是絕熱的。 如果一個應用要求紅外透鏡能夠使用在可以感覺到的溫度波動的環境里, 那么圖象將被需要重新調焦。

      重新調節焦距的程度會根據不同的透鏡而有所不同。 長焦距更可能通過溫度的變化而被重新調焦。

      被動式的無熱設計采用不同的機械和光學材料來補償熱膨脹效應。主動式的無熱設計則采用電子方式驅動電機來移動透鏡位置以補償溫度變化的影響。

      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 (也可以被認為是扭鎖)。 一個法蘭 裝配的鏡頭通過在透鏡卡口和攝像機外殼上搭配一個螺栓孔來和鏡頭一致。 當我們需要緊質的密封或者透鏡要永久固定在鏡頭上的時候, 我們通常會選擇這個方法。

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

      做為小結,鑒別熱像儀的品質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。

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