熱像儀鏡頭接口

對于紅外熱像儀而言，鏡頭是一個重要的部件，它會直接影響熱像圖質(zhì)量和測溫精準(zhǔn)度。鏡頭接口種類繁多，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，實際的距離要加一個補償量。這兩個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)稱值基礎(chǔ)上加一個補償量。

如果使用 CS 接口的熱像儀和 C 接口的鏡頭，可以加一個 5mm 墊片，以實現(xiàn)正確的對焦。但如果使用 C 接口的熱像儀和 CS 接口的鏡頭，則無法實現(xiàn)正確對焦。

與 M12 顯微鏡頭的兼容性

M12（有時稱為 S 接口）光學(xué)器件常用來替代 C 接口或 CS 接口光學(xué)器件，因為它們的尺寸較小、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齊的定位銷，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題。兼容問題主要是由于光背焦距的差異所致，如下所述。

鏡頭焦距

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

焦點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)景物上的同一點發(fā)出的光線經(jīng)折射后，交匯于圖像平面上的同一點時，就實現(xiàn)了對焦。此概念如下圖所示。請注意，對于對稱透鏡，焦點 F 和 F’ 與透鏡等距。穿過 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。針對這種情況的簡化版光線示意圖如下所示，圖中只畫出了從傳感器邊緣發(fā)出的主要光線。這些光線穿過透鏡中心，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：

對于微距攝影等近距離應(yīng)用場景，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算器，該計算器根據(jù)焦距公式的近似形式生成推薦焦距。由于計算很簡單，因此如果有疑問，可在已知傳感器尺寸的情況下手動完成。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，無法直接得出傳感器有效成像區(qū)域的實際尺寸。下表列出了幾種標(biāo)準(zhǔn)傳感器尺寸的寬度、高度和對角線長度。

例如，假設(shè)某個應(yīng)用場景采用 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，對角線長度 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：

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

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，請記住，焦距較短的鏡頭通常會呈現(xiàn)明顯的畸變。實際的畸變程度取決于所使用的具體鏡頭，并且可能對實際視野有較大影響。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)測焦距，只能用作起點。應(yīng)查閱鏡頭數(shù)據(jù)表。通常，廣角和魚眼鏡頭會為針對其所支持的每一種傳感器格式規(guī)定視場角。此視場角應(yīng)用于計算給定視場的工作距離（以距離單位表示）。

傳感器尺寸

在購買鏡頭時，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傳感器。用于較大傳感器（如 2/3”）的鏡頭通常可也可用于較小的傳感器（如 1/3"），但可能會損失分辨率（見下文）。

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”），因為這樣鏡頭很可能無法投射足夠大的圖像來覆蓋整個傳感器，從而會導(dǎo)致暈影。在這種情況下，圖像的四角可能看起來模糊、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) 和對角線長度 (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€ 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像素級鏡頭

選擇鏡頭時的另一個重要因素是傳感器總面積所對應(yīng)的像素數(shù)量。此衡量參數(shù)通常與像素（像素單元）的尺寸成反比，像素數(shù)目越高，單個像素越小，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。這種能力被稱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)組件制成的百萬像素 (MP) 級鏡頭，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)該使用百萬像素級鏡頭。建議對百萬像素級傳感器采用百萬像素級鏡頭。對于數(shù)百萬像素的傳感器，鏡頭的百萬像素等級應(yīng)達(dá)到或超過傳感器的百萬像素數(shù)。百萬像素級傳感器如果使用常規(guī)鏡頭，可能會導(dǎo)致圖像模糊，因為鏡頭可能無法為傳感器提供足夠高的分辨率。雖然百萬像素級鏡頭可以用于非百萬像素級傳感器，但從性價比角度，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 萬像素，2/3” 格式的鏡頭如果用在 100 萬像素，1/3” 傳感器上，可能無法發(fā)揮出最佳性能，因為傳感器只能捕捉鏡頭產(chǎn)生的全部細(xì)節(jié)中的一部分。100 萬像素，1/3” 鏡頭由于傳感器面積較小，可提供比 100 萬像素，2/3” 更高的分辨率，以便捕捉相同程度的 100 萬像素圖像內(nèi)容。

傳感器空間分辨率以每毫米的線對（lpm 或 lp/mm）數(shù)來衡量，表示傳感器可以分辨的重復(fù)黑/白條對的最小尺寸。一個 1/3"，130 萬像素的傳感器，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）。百萬像素級鏡頭可以投射細(xì)節(jié)更豐富的圖像，以利用更高像素密度的小格式百萬像素級傳感器，如 Sony ICX445（1/3"，130 萬像素）或 Sony ICX655 （2/3"，500 萬像素）。

鏡頭的分辨率通常以不同間距 (lpm) 的黑白條成像集來衡量。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像素等級。這一指標(biāo)也存在一些缺陷。

首先，鏡頭的分辨率在整個視野內(nèi)是變化的（通常在圖像中心附近最高），因此分辨率的測量位置處的細(xì)節(jié)對百萬像素等級影響較大。第二個缺陷是，對“剛好可以分辨”的理解可能因測試者的不同而各異。此外，兩個鏡頭的分辨率可能只有 133 lpm，因此有著相同的百萬像素等級，但這并不能保證它們在 60 lpm 等分辨率下提供相同的對比度。因此，百萬像素等級并不說明一切。

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，有時也稱為 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“分辨率”是對比度下降到低頻率對比度的一定百分比的頻率，類似于電路的帶寬。

此參數(shù)通常表示為 MTF50（低頻率對比度的 50%）或 MTF30（低頻率對比度的 30%）。有時也采用 MTF10，與從柱狀圖（見上文）中獲得的“剛好可以分辨”的分辨率大致相等。MTF10 應(yīng)慎用，因為難以可靠測量。另一個指標(biāo)是測量特定頻率的有限集的對比度，通常以圖像中的徑向位置的函數(shù)呈現(xiàn)。雖然與簡單的百萬像素等級相比，MTF 數(shù)據(jù)可以提供更詳細(xì)的鏡頭質(zhì)量信息，但解讀起來更復(fù)雜，并且數(shù)據(jù)并不一定可用。

* MTF 的測量也可通過點擴散和斜邊分析等其他方法來進(jìn)行。