熱像儀鏡頭接口

對(duì)于紅外熱像儀而言，鏡頭是一個(gè)重要的部件，它會(huì)直接影響熱像圖質(zhì)量和測(cè)溫精準(zhǔn)度。鏡頭接口種類(lèi)繁多，例如 C 接口、CS 接口和 S 接口等，這些接口究竟有什么區(qū)別呢？如何選擇與熱像儀鏡頭接口兼容的鏡頭呢？

C 和 CS 接口熱像儀的后法蘭距離

C 和 CS 接口鏡頭都是大多數(shù)工業(yè) CCD 熱像儀和鏡頭所采用的螺紋鏡頭接口。C 和 CS 接口設(shè)備之間的差別是鏡頭法蘭（外殼上與熱像儀對(duì)接的部分）與鏡頭焦平面（CCD 傳感器必須定位于此）之間的距離。這叫做后法蘭距離。

典型 C 或 CS 接口鏡頭的示意圖

C 接口鏡頭的后法蘭距離規(guī)格為 17.53 mm，CS 接口鏡頭為 12.53 mm。但是，在 FLIR 熱像儀上，由于 1 mm 的紅外截止 (IRC) 濾光片和 0.5 mm 的傳感器封窗的存在，實(shí)際的距離要加一個(gè)補(bǔ)償量。這兩個(gè)玻璃片位于鏡頭和傳感器圖像平面之間。FLIR 在彩色熱像儀上安裝了這種 IRC 濾光片；在單色熱像儀中，IRC 被透明的玻璃窗取代。傳感器封窗由傳感器制造商安裝?？紤]到這些玻璃部件的折射，后法蘭距離要在標(biāo)稱(chēng)值基礎(chǔ)上加一個(gè)補(bǔ)償量。

如果使用 CS 接口的熱像儀和 C 接口的鏡頭，可以加一個(gè) 5mm 墊片，以實(shí)現(xiàn)正確的對(duì)焦。但如果使用 C 接口的熱像儀和 CS 接口的鏡頭，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確對(duì)焦。

與 M12 顯微鏡頭的兼容性

M12（有時(shí)稱(chēng)為 S 接口）光學(xué)器件常用來(lái)替代 C 接口或 CS 接口光學(xué)器件，因?yàn)樗鼈兊某叽巛^小、c 金屬較低、鏡頭和 CS 轉(zhuǎn) M12 適配器，以及一些預(yù)裝 M12 鏡頭接口的熱像儀。

FLIR 的鑄造金屬 M12 鏡頭底座由鋅合金制成，可安裝更大格式的傳感器，如 Sony ICX445 CCD 和 Sony IMX035 CMOS。其他功能包括用于調(diào)整光背焦距的固定螺絲、用于使鏡頭底座與熱像儀電路板精確對(duì)齊的定位銷(xiāo)，以及 IRC 濾光片。

FLIR 還提供 CS 轉(zhuǎn) M12 鏡頭適配器，用于將 M12 鏡頭連接到配備 CS 接口鏡頭底座的熱像儀。

特定的廣角（短焦距）M12 鏡頭可能存在一些兼容問(wèn)題。兼容問(wèn)題主要是由于光背焦距的差異所致，如下所述。

鏡頭焦距

選擇鏡頭時(shí)的另一個(gè)重要考慮因素是焦距。焦距大約等于傳感器對(duì)角線尺寸的鏡頭可以再現(xiàn)對(duì)人眼而言正常的觀察視角。焦距比正常值短的鏡頭（又稱(chēng)“廣角鏡頭”）可以捕捉更大的視野。焦距比正常值長(zhǎng)的鏡頭，（即“長(zhǎng)焦鏡頭”）捕捉的視野較小。因此，在考慮焦距時(shí)，必須考慮傳感器尺寸、要捕捉的視野，鏡頭與拍攝對(duì)象之間的大致距離，又稱(chēng)“工作距離”。

焦點(diǎn)是光軸上所有與光學(xué)軸平行的入射光線相交的位置。當(dāng)景物上的同一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)折射后，交匯于圖像平面上的同一點(diǎn)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)焦。此概念如下圖所示。請(qǐng)注意，對(duì)于對(duì)稱(chēng)透鏡，焦點(diǎn) F 和 F’ 與透鏡等距。穿過(guò) F 的光線經(jīng)折射后，沿著與光軸平行的方向到達(dá)圖像平面。

焦距、工作距離與圖像距離的關(guān)系如高斯透鏡公式所示：

在許多成像應(yīng)用場(chǎng)景中，工作距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖像距離。在這種情況下，上述公式可以近似為：

可以看到，圖像距離大致等于焦距。針對(duì)這種情況的簡(jiǎn)化版光線示意圖如下所示，圖中只畫(huà)出了從傳感器邊緣發(fā)出的主要光線。這些光線穿過(guò)透鏡中心，且方向不改變。

在這種情況下，焦距的近似值如以下公式所示：

對(duì)于微距攝影等近距離應(yīng)用場(chǎng)景，由于工作距離并不顯著大于焦距，圖像距離不能近似為焦距。上述等式（工作距離較近和較遠(yuǎn)均適用）的更準(zhǔn)確形式如下式：

許多鏡頭供應(yīng)商在其網(wǎng)站上提供鏡片選擇計(jì)算器，該計(jì)算器根據(jù)焦距公式的近似形式生成推薦焦距。由于計(jì)算很簡(jiǎn)單，因此如果有疑問(wèn)，可在已知傳感器尺寸的情況下手動(dòng)完成。傳感器尺寸通常以幾分之幾英寸的單位給出，出于歷史原因，無(wú)法直接得出傳感器有效成像區(qū)域的實(shí)際尺寸。下表列出了幾種標(biāo)準(zhǔn)傳感器尺寸的寬度、高度和對(duì)角線長(zhǎng)度。

例如，假設(shè)某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景采用 1/2” 傳感器、100 mm 的工作距離和 50 mm 水平視野。從表格中看，1/2” 傳感器寬 6.4 mm，高 4.8 mm，對(duì)角線長(zhǎng)度 8 mm。為了達(dá)到指定的水平視野，我們采用下式：

或者采用精確公式：

用精確公式計(jì)算的焦距為 11.3 mm，用近似公式計(jì)算的焦距為 12.8 mm。此偏差隨工作距離與焦距相對(duì)比例的減小而增加。

在選擇最符合要求的焦距后，可能需要調(diào)整工作距離，以達(dá)到所需的視野。此外，請(qǐng)記住，焦距較短的鏡頭通常會(huì)呈現(xiàn)明顯的畸變。實(shí)際的畸變程度取決于所使用的具體鏡頭，并且可能對(duì)實(shí)際視野有較大影響。上述公式忽略了畸變。如果鏡頭畸變程度較大（例如 > 10%），則上述公式的準(zhǔn)確性不足以預(yù)測(cè)焦距，只能用作起點(diǎn)。應(yīng)查閱鏡頭數(shù)據(jù)表。通常，廣角和魚(yú)眼鏡頭會(huì)為針對(duì)其所支持的每一種傳感器格式規(guī)定視場(chǎng)角。此視場(chǎng)角應(yīng)用于計(jì)算給定視場(chǎng)的工作距離（以距離單位表示）。

傳感器尺寸

在購(gòu)買(mǎi)鏡頭時(shí)，應(yīng)確保鏡頭與熱像儀所使用的圖像傳感器的光學(xué)尺寸（如 1/3"、2/3" 等）兼容。鏡頭投射的圖像必須能夠覆蓋整個(gè)傳感器。用于較大傳感器（如 2/3”）的鏡頭通?？梢部捎糜谳^小的傳感器（如 1/3"），但可能會(huì)損失分辨率（見(jiàn)下文）。

用于較小傳感器（如 1/3”）的鏡頭不能用于較大的傳感器（如 1/2”），因?yàn)檫@樣鏡頭很可能無(wú)法投射足夠大的圖像來(lái)覆蓋整個(gè)傳感器，從而會(huì)導(dǎo)致暈影。在這種情況下，圖像的四角可能看起來(lái)模糊、發(fā)暗甚至完全變黑。

下表顯示了不同尺寸傳感器的有效區(qū)域的近似寬度 (W)、高度 (H) 和對(duì)角線長(zhǎng)度 (D)，以及與將某些鏡頭用于較小傳感器相關(guān)的裁剪系數(shù)。例如，假設(shè)我們?yōu)橐粋€(gè) 1/3” 的傳感器配備了 6 mm 的鏡頭，并且想知道哪種鏡頭用于 1/4” 的傳感器時(shí)具有相同的視野。1/3” 傳感器和 1/4” 傳感器相比的裁切系數(shù)為 1.33。因此，應(yīng)該選擇 6 mm / 1.33 = 4.5 mm 的焦距。

傳感器空間分辨率和百萬(wàn)像素級(jí)鏡頭

選擇鏡頭時(shí)的另一個(gè)重要因素是傳感器總面積所對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)量。此衡量參數(shù)通常與像素（像素單元）的尺寸成反比，像素?cái)?shù)目越高，單個(gè)像素越小，距離越近。而傳感器上的像素間距越小，記錄（采樣）微小細(xì)節(jié)的能力就越強(qiáng)。這種能力被稱(chēng)為空間頻率或空間分辨率。高密度傳感器需要用高質(zhì)量光學(xué)組件制成的百萬(wàn)像素 (MP) 級(jí)鏡頭，其光學(xué)組件可以以和傳感器分辨率相同或更高的分辨率投射圖像。

下表顯示了 FLIR 熱像儀中使用的傳感器樣例，以及是否應(yīng)該使用百萬(wàn)像素級(jí)鏡頭。建議對(duì)百萬(wàn)像素級(jí)傳感器采用百萬(wàn)像素級(jí)鏡頭。對(duì)于數(shù)百萬(wàn)像素的傳感器，鏡頭的百萬(wàn)像素等級(jí)應(yīng)達(dá)到或超過(guò)傳感器的百萬(wàn)像素?cái)?shù)。百萬(wàn)像素級(jí)傳感器如果使用常規(guī)鏡頭，可能會(huì)導(dǎo)致圖像模糊，因?yàn)殓R頭可能無(wú)法為傳感器提供足夠高的分辨率。雖然百萬(wàn)像素級(jí)鏡頭可以用于非百萬(wàn)像素級(jí)傳感器，但從性?xún)r(jià)比角度，這樣做不可行。

鏡頭格式最好也和傳感器格式相匹配，以獲得最佳性能。例如，100 萬(wàn)像素，2/3” 格式的鏡頭如果用在 100 萬(wàn)像素，1/3” 傳感器上，可能無(wú)法發(fā)揮出最佳性能，因?yàn)閭鞲衅髦荒懿蹲界R頭產(chǎn)生的全部細(xì)節(jié)中的一部分。100 萬(wàn)像素，1/3” 鏡頭由于傳感器面積較小，可提供比 100 萬(wàn)像素，2/3” 更高的分辨率，以便捕捉相同程度的 100 萬(wàn)像素圖像內(nèi)容。

傳感器空間分辨率以每毫米的線對(duì)（lpm 或 lp/mm）數(shù)來(lái)衡量，表示傳感器可以分辨的重復(fù)黑/白條對(duì)的最小尺寸。一個(gè) 1/3"，130 萬(wàn)像素的傳感器，如 Sony ICX445，其像素大小僅為 3.75 微米，分辨率約為 133 lpm（1/3.75 μm × 1/2 × 1000 μm/mm）。百萬(wàn)像素級(jí)鏡頭可以投射細(xì)節(jié)更豐富的圖像，以利用更高像素密度的小格式百萬(wàn)像素級(jí)傳感器，如 Sony ICX445（1/3"，130 萬(wàn)像素）或 Sony ICX655 （2/3"，500 萬(wàn)像素）。

鏡頭的分辨率通常以不同間距 (lpm) 的黑白條成像集來(lái)衡量。剛好可以分辨的最小間距（在傳感器上）被視為鏡頭的分辨率。然后，將該分辨率乘以 2（將線對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換為線數(shù)），再乘以傳感器尺寸，即可得到鏡頭的百萬(wàn)像素等級(jí)。這一指標(biāo)也存在一些缺陷。

首先，鏡頭的分辨率在整個(gè)視野內(nèi)是變化的（通常在圖像中心附近最高），因此分辨率的測(cè)量位置處的細(xì)節(jié)對(duì)百萬(wàn)像素等級(jí)影響較大。第二個(gè)缺陷是，對(duì)“剛好可以分辨”的理解可能因測(cè)試者的不同而各異。此外，兩個(gè)鏡頭的分辨率可能只有 133 lpm，因此有著相同的百萬(wàn)像素等級(jí)，但這并不能保證它們?cè)?60 lpm 等分辨率下提供相同的對(duì)比度。因此，百萬(wàn)像素等級(jí)并不說(shuō)明一切。

更系統(tǒng)的鏡頭分辨率衡量參數(shù)是調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)。MTF 可衡量在給定空間頻率（單位：循環(huán)/mm（cy/mm，有時(shí)也稱(chēng)為 lp/mm 或 lpm））下，在黑色和白色之間平滑循環(huán)的正弦模式*圖像的幅度（對(duì)比度）。此模式的空間頻率越高，圖像模糊成均勻灰色的可能性就越大。因此，此衡量參數(shù)的標(biāo)稱(chēng)“分辨率”是對(duì)比度下降到低頻率對(duì)比度的一定百分比的頻率，類(lèi)似于電路的帶寬。

此參數(shù)通常表示為 MTF50（低頻率對(duì)比度的 50%）或 MTF30（低頻率對(duì)比度的 30%）。有時(shí)也采用 MTF10，與從柱狀圖（見(jiàn)上文）中獲得的“剛好可以分辨”的分辨率大致相等。MTF10 應(yīng)慎用，因?yàn)殡y以可靠測(cè)量。另一個(gè)指標(biāo)是測(cè)量特定頻率的有限集的對(duì)比度，通常以圖像中的徑向位置的函數(shù)呈現(xiàn)。雖然與簡(jiǎn)單的百萬(wàn)像素等級(jí)相比，MTF 數(shù)據(jù)可以提供更詳細(xì)的鏡頭質(zhì)量信息，但解讀起來(lái)更復(fù)雜，并且數(shù)據(jù)并不一定可用。

* MTF 的測(cè)量也可通過(guò)點(diǎn)擴(kuò)散和斜邊分析等其他方法來(lái)進(jìn)行。