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选择能使热像仪效果达到最优程度的透镜
----为确保最佳成像所必需评估的一些重要参数
原文：Peter Komik 摘自：Photonics Spectra
翻译：黄峋 校对：黄胜弟
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当我们在为热像仪选择红外透镜的时候， 许多因素是必须要考虑的。 这包括正在使用的技术知识， 以及对于图像的应用知识。 对于一个新的热像仪所用的透镜 (整套透镜装备)， 我们也需要很好地了解不同的价格预算可以达到什么样不同的结果。 所以了解红外透镜的一些重要常识可以使得整个选择程序更加简单和容易。 |
今天的热像仪主要运用在三个主要的波段， 或者是感光度。 第一个是近红外或者是短波红外，大概介于0.9-2.5微米; 第二个是中波红外， 在3-5微米的范围内; 最后是远红外， 范围介于8-12 微米。 尽管一些红外镜头可以在这些波段以外的区域运行， 但是大体上， 他们在这三个主要波段所表现出来的性能是最好的。 |
事实上， 这些热像仪的透镜一般被设计为可以运行于一组波段上， 不论是在之前提到的波段中的任意一种， 还是多于一种。 举个例子， 1.5 到 5 或者是 3-12微米。 当设计为运行于单独的波段的时候， 许多因素都决定了它们的性能， 包括了原材料的选择， 透镜的厚度， 空气间隔， 表面弯曲， 以及镀膜。 |
例如， 一个红外镜头可以在长波上达到最优化的同时， 在短波3微米的地方也会有些敏感度。 对于一个特定的应用， 我们可能需要用到镜头感光度的全部范围。 如果一个透镜只是被设计为可以运用在远红外的范围， 也仅仅只是通过镀不同的膜系去达到它在整个范围内的最大穿透率， 那么在8微米以下的波段， 成像的品质就会比较不足。为了确保成象的质量， 我们可以通过考虑以上列出的种种因素，将透镜设计为在整个3-12微米波段范围内都可以运用的镜头。 |
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成像大小 |
透镜需要成像去填充热像仪的焦平面阵列， 或者探测器。 这些阵列是矩形的或方形的。 但是透镜在焦平面上呈现的是圆形的影像。 这就需要透镜生成图象的直径等于， 或者大于阵列的对角线。 如果图象不能填充探测器的区域， 所产生的效果通常被归类为渐晕。 它们通常出现在模糊的， 灰或黑暗的角落， 或者是图象的边缘， 这取决于渐晕的严重程度。 |
对于这一规则唯一例外的是当我们在处理鱼眼透镜的时候， 这种透镜在焦平面阵列的尺寸里产生的是一种半球的影像。 如果热像仪的探测器阵列尺寸没有资料说明， 它则可以通过简单的三角学定理来进行计算， 如果我们知道像素和象元大小。举个例子，320x240像素和50微米的象元尺寸等同于一个20毫米的对角线。 |
后截距 |
从镜头组的后端到焦平面阵列的距离就被称为后截距。 透镜必须要安装正确， 以至于它的图像和红外镜头里的焦平面阵列在同一位置。 一般地， 红外镜头在透镜和阵列之间需要一个接头来决定透镜的正确使用。 有时候， 也可以通过尽可能减小这个接头来减少透镜的大小， 使它可以尽可能靠近阵列。 |
在热像仪里， 后截距更像代表红外透镜的特征。 一个短焦点距离的镜头可以通过使用一个转接器或者隔圈被转化为一个长焦点距离的镜头。 例如， 一个要求有至少10毫米距离的红外成像仪可以备有一个30毫米后焦点距离的透镜， 通过使用一个20毫米的隔圈。 |
然而， 反过来却是不可行的。 一个成像在10毫米距离的透镜就不可以适当地被安置在一个需要最低30毫米的红外镜头上。 |
焦距 |
透镜一般都是通过焦距来表示的，有时被认为是有效焦距。 当焦距增加的时候， 透镜的视野会相应的变窄。 相反地， 当焦距减少的时候， 视野会相应的变宽。 当计算的时候， 我们用一半图像面积的反正切除以焦距， 再乘以2。 例如， 计算一个50毫米透镜在一个20mm对角焦平面阵列中， 决定全部视野的公式如下:
(arctan((0.5x20)/50mm))x2= 22.6度
非常重要地， 我们需要知道是否一个透镜是被区分横向视野或者是纵向视野。 这是红外镜头公司将用来确定一个透镜的最长见的形式。 横向的数据将会帮助确定跨越焦平面阵列宽度的角度。 而纵向视野则提供了跨越阵列高度的角度。 我们可以用同样的公式去计算横向和纵向视野， 通过替换可行的阵列尺寸。
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一些制造商通常也通过焦距来对透镜分类。 许多远焦距透镜被称为:
- Telephoto, 当它们的实际尺度小于它们的有效焦距。
- Normal, 当透镜生成的影像接近于我们肉眼可以看到的影像
- Wide angle, 透镜生成的景象比普通的视野更广阔。 当透镜的视野大于150度的时候， 我们通常称之为鱼眼。
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最常见的两种专业透镜是多视野变焦透镜和连续变焦透镜。 多视野变焦透镜被设计为可以在两个或多个焦距中转换， 而连续变焦透镜能够保持焦点在两种边界焦距的任何一个地方。 这些类型的透镜可以观察一个景象和在转化的焦距的景象里放大一个物体。 例如， 一个50/250的双视野透镜可以从50毫米的焦距转化到250毫米的焦距， 从而可以将正在观察的物体放大五倍。 |
F 数值 |
一个透镜的F数值决定着光通量， 或者更确切的说， 在红外成像里， 决定着在焦平面阵列上转换的能量。 这个数值能够反映出透镜怎样有效地影响图象的清晰度。 F数值越小， 我们所需要的光学元件就越大， 这意味着将会有更多的能量被传递到阵列中。 F数值也被认为是透镜速率。 例如， 我们会认为 f/2.3 的透镜传输速率比f/4.0的透镜快。 |
某些热像仪需要在透镜和焦平面阵列间配置一个光栏。 在一些致冷热像仪和一些未致冷微型测热仪中， 这种以光栏控制口径大小的方式是常见的。 光栏可以拦截有害的辐射。 对于这些透镜来说， 光栏的大小决定了所使用透镜的f值的大小。 |
这个光栏将会被放置在瞳孔的地方。 在这些类型的红外镜头中， 最理想的透镜应该和在适当的光栏上或者瞳孔位置上的f 数值一致， 尽管我们可以用一个更快的透镜。 |
当镜头没有光栏的时候， 在我们选择f 值的时候就会有更多的灵活性。 然而这些主要是非致冷长波红外装置， 通常对能量没有那么敏感。 要建立最清晰的图象， 我们就需要比较低的f 值， 或者， 取决于应用， 它可以是一个折衷的数字使得透镜的大小和重量最小化。 |
景深 |
景深通过使用最近的和最远的看似清晰的物体来决定。 当一个透镜聚焦物体时，物体外的景色都在焦平面上，它被认为是无限聚焦位置。 在这个位置上， 最靠近的焦点对准的物体被称为超焦距。 |
对于一个特殊的应用， 必需要接近物体以达到最大的放大倍率。 最小的物距将决定于调焦多近来观察到这个物体。 对于一个50英尺的超焦距透镜来说， 我们也可以通过调节焦距在10英尺观察到这个物体， 这被认为是最小物距。 热像仪使用者期望在10英尺内任何没有对焦的物体。 |
在10英尺以外会有一小部分范围会呈现对焦-----景深-----然而这个很小的范围也是很主观的。 在可见光摄影中， 减慢f 值的光学元件通常被用来增加景深。 然而， 如我们之前讨论的， 红外热像仪的透镜是典型的快速的光学元件。 所以为了图象质量， 景深就被牺牲掉了。 |
性能 |
由于大多数人对透镜的设计不是很了解， 除了主观视觉的评价外， 一般很难判断一个透镜的性能。 最常用的方法就是依靠调制传递函数测量， 它决定一个透镜解析图象细节的能力。 了解它最简单的方法就是假设看着一面砖块墙， 然后逐渐后退直到再也分辨不出单独的砖块。 |
一个常被考虑的更明显的性能特征就是畸变， 它对于广角透镜和鱼眼透镜是最重要的。 这些类型的透镜表现出桶形的畸变， 图象的角落被拉向中心。 一些红外热像仪公司会依靠电子技术或者软件来抵消这种畸变。 实际上， 许多商业上的数码图象编辑软件都可以为影像的失真进行效正。 对于实时广角观察又需要很小的畸变， 那么就有必要使用一个特定设计的透镜。 |
另外一个重要的性能特征就是光斑大小。 一个典型的焦平面阵列有好几万的象素， 而红外能量则可以被想象成为光斑进入到每一个象素。 如果一个透镜是衍射极限型的， 而且聚焦光斑超过了象元的尺寸大小，那么红外镜头就失去了解析图象细节的能力。 |
衍射极限的透镜是很少见的。 可是， 因为当使用在不同的焦平面阵列配置上， 透镜解析的图象细节会不同。 光斑的大小呈现在中心象素上和呈现在边缘象素上的也会不同。 所以一个透镜可能在轴上呈现出有限衍射的性能， 却不能在轴外。 |
尽管一个衍射极限的透镜看起来是完美的透镜。 当我们拿一个透镜与另外一个做比较时， 由于视觉的验证过于主观而不能够很好的区分它们的性能特征。 因此， 我们必须要知道这个透镜和红外热像仪是否兼容。 所以你可以要求透镜的厂商去调整其兼容性或者推荐另外一种透镜。 |
透过率 |
F 数值涉及到的是图象清晰度， 而透过率则涉及到的是图象的亮度。 红外透镜的透过率值代表着在一定波段上光透过透镜的能量的程度。 如果我们说一个透镜的透过率是94%， 那么意味着有平均94%的能量将会透过这个透镜。 其余的6%的能量可能被反射回去， 或者被吸收了。 |
因为透过率在不同波段上会变化， 所以我们一般会取平均值。 |
影响透过率值的因素包括光学材料， 增透镀膜， 衍射曲面， 以及透镜装配中光学元件的数量。 一般最终消费者是很难知道这些因素的细节的。 所以透过率和性能就必需要被测量， 去决定这个透镜是否可以用在某种特定的应用。 |
如果一个透镜被设计为在一个宽温度范围内保持聚焦， 它将会被认为是绝热的。 如果一个应用要求红外透镜能够使用在可以感觉到的温度波动的环境里， 那么图象将被需要重新调焦。 |
重新调节焦距的程度会根据不同的透镜而有所不同。 长焦距更可能通过温度的变化而被重新调焦。 |
被动式的无热设计采用不同的机械和光学材料来补偿热膨胀效应。主动式的无热设计则采用电子方式驱动电机来移动透镜位置以补偿温度变化的影响。 |
最后要考虑的是怎样将透镜装配到镜头上。 为了达到最佳的效果， 正确的装配是非常重要的。 最常见的三种方式是法兰， 螺纹和 卡口类型 (也可以被认为是扭锁)。 一个法兰 装配的镜头通过在透镜卡口和摄像机外壳上搭配一个螺栓孔来和镜头一致。 当我们需要紧质的密封或者透镜要永久固定在镜头上的时候， 我们通常会选择这个方法。 |
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对于其它的两种类型， 不同的透镜是可以互换的。 螺纹接口是一个低成本的途径， 卡口类型是最方便的方法， 只是简单的一扭就可以把透镜固定在一个位置， 也可以旋开将其卸下。 后者有更精细的外形， 然而比起其余两种， 它的成本要高出许多。 |
做为小结，鉴别热像仪的品质高低有很多的变量去考虑，而所采用的红外透镜则是主要的鉴别工具。 |
