萊森光學(xué)（深圳）有限公司
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閱讀：436發(fā)布時間：2022-10-9
鏡頭是高光譜成像光譜儀的關(guān)鍵設(shè)備，它的質(zhì)量(指標(biāo))優(yōu)劣直接影響高光譜成像光譜儀的整機(jī)指標(biāo)，因此，鏡頭的選擇是否恰當(dāng)關(guān)系到高光譜成像光譜儀整機(jī)的質(zhì)量。
1、鏡頭的分類
(1) 以鏡頭安裝分類
所有的高光譜成像光譜儀鏡頭均是螺紋口的，CCD高光譜成像光譜儀的鏡頭安裝有兩種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即C安裝座和CS安裝座。兩者螺紋部分相同，但兩者從鏡頭到感光表面的距離不同。
C安裝座：從鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點的距離是17.526mm。
CS安裝座：特種C安裝，此時應(yīng)將高光譜成像光譜儀前部的墊圈取下再安裝鏡頭。其鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點的距離是12.5mm。如果要將一個C安裝座鏡頭安裝到一個CS安裝座高光譜成像光譜儀上時，則需要使用鏡頭轉(zhuǎn)換器。
(2) 以高光譜成像光譜儀鏡頭規(guī)格分類
高光譜成像光譜儀鏡頭規(guī)格應(yīng)視高光譜成像光譜儀的CCD尺寸而定，兩者應(yīng)相對應(yīng)。即高光譜成像光譜儀的CCD靶面大小為1/2英寸時，鏡頭應(yīng)選1/2英寸。高光譜成像光譜儀的CCD靶面大小為1/3英寸時，鏡頭應(yīng)選1/3英寸。高光譜成像光譜儀的CCD靶面大小為1/4英寸時，鏡頭應(yīng)選1/4英寸。如果鏡頭尺寸與高光譜成像光譜儀CCD靶面尺寸不一致時，觀察角度將不符合設(shè)計要求，或者發(fā)生畫面在焦點以外等問題。
(3) 以鏡頭的視場大小分類
標(biāo)準(zhǔn)鏡頭：視角30度左右，在1/2英寸CCD高光譜成像光譜儀中，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距定為12mm，在1/3英寸CCD高光譜成像光譜儀中，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距定為8mm。
廣角鏡頭：視角90度以上，焦距可小于幾毫米，可提供較寬廣的視景。
遠(yuǎn)攝鏡頭：視角20度以內(nèi)，焦距可達(dá)幾米甚至幾十米，此鏡頭可在遠(yuǎn)距離情況下將拍攝的物體影響放大，但使觀察范圍變小。
變倍鏡頭(zoom lens)：也稱為伸縮鏡頭，有手動變倍鏡頭和電動變倍鏡頭兩類。
可變焦點鏡頭(vari-focus lens)：它介于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭與廣角鏡頭之間，焦距連續(xù)可變，即可將遠(yuǎn)距離物體放大，同時又可提供一個寬廣視景，使監(jiān)視范圍增加。變焦鏡頭可通過設(shè)置自動聚焦于最小焦距和焦距兩個位置，但是從最小焦距到焦距之間的聚焦，則需通過手動聚焦實現(xiàn)。
：鏡頭直徑幾毫米，可隱蔽安裝。
(4) 從鏡頭焦距上分
短焦距鏡頭：因入射角較寬，可提供一個較寬廣的視野。
中焦距鏡頭：標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，焦距的長度視CCD的尺寸而定。
長焦距鏡頭：因入射角較狹窄，故僅能提供狹窄視景，適用于長距離監(jiān)視。
變焦距鏡頭：通常為電動式，可作廣角、標(biāo)準(zhǔn)或遠(yuǎn)望等鏡頭使用。
2、選擇鏡頭的技術(shù)依據(jù)
(1) 鏡頭的成像尺寸
應(yīng)與高光譜成像光譜儀CCD靶面尺寸相一致，如前所述，有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸等規(guī)格。
(2) 鏡頭的分辨率
描述鏡頭成像質(zhì)量的內(nèi)在指標(biāo)是鏡頭的光學(xué)傳遞函數(shù)與畸變，但對用戶而言，需要了解的僅僅是鏡頭的空間分辨率，以每毫米能夠分辨的黑白條紋數(shù)為計量單位，計算公式為：
鏡頭分辨率N=180 / 畫幅格式的高度。
由于高光譜成像光譜儀CCD靶面大小已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，如1/2英寸高光譜成像光譜儀，其靶面為寬6.4mm*高4.8mm，1/3英寸高光譜成像光譜儀為寬4.8mm*高3.6mm，因此對1/2英寸格式的CCD靶面，鏡頭的分辨率應(yīng)為38對線/mm。對1/3英寸格式高光譜成像光譜儀，鏡頭的分辨率應(yīng)大于50對線，高光譜成像光譜儀的靶面越小，對鏡頭的分辨率越高。
(3) 鏡頭焦距與視野角度
首先根據(jù)高光譜成像光譜儀到被監(jiān)控目標(biāo)的距離，選擇鏡頭的焦距，鏡頭焦距f 確定后，則由高光譜成像光譜儀靶面決定了視野。
(4) 光圈或通光量
鏡頭的通光量以鏡頭的焦距和通光孔徑的比值來衡量，以F為標(biāo)記，每個鏡頭上均標(biāo)有其的F值，通光量與F值的平方成反比關(guān)系，F值越小，則光圈越大。所以應(yīng)根據(jù)被監(jiān)控部分的光線變化程度來選擇用手動光圈還是用自動光圈鏡頭
3、鏡頭與高光譜成像光譜儀CCD尺寸的關(guān)系
1/2"鏡頭既可用于1/2"高光譜成像光譜儀，也可用于1/3"高光譜成像光譜儀，但視角會減少25%左右。1/3"鏡頭不能用于1/2"高光譜成像光譜儀，只能用于1/3"高光譜成像光譜儀。
4、鏡頭的主要性能指標(biāo)有以下幾個：
(1) 焦距
焦距的大小決定著視場角的大小，焦距數(shù)值小，視場角大，所觀察的范圍也大，但距離遠(yuǎn)的物體分辨不很清楚;焦距數(shù)值大，視場角小，觀察范圍小，只要焦距選擇合適，即便距離很遠(yuǎn)的物體也可以看得清清楚楚。由于焦距和視場角是一一對應(yīng)的，一個確定的焦距就意味著一個確定的視場角，所以在選擇鏡頭焦距時，應(yīng)該充分考慮是觀測細(xì)節(jié)重要，還是有一個大的觀測范圍重要，如果要看細(xì)節(jié)，就選擇長焦距鏡頭;如果看近距離大場面，就選擇小焦距的廣角鏡頭。
(2) 光闌系數(shù)(光通量)
即光通量，用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量。每個鏡頭上都標(biāo)有F值，例如6mm/F1.4代表孔徑為4.29毫米。光通量與F值的平方成反比關(guān)系，F值越小，光通量越大。鏡頭上光圈指數(shù)序列的標(biāo)值為1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等，其規(guī)律是前一個標(biāo)值時的曝光量正好是后一個標(biāo)值對應(yīng)曝光量的2倍。也就是說鏡頭的通光孔徑分別是1/1.4，1/2，1/2.8，1/4，1/5.6，1/8，1/11，1/16，1/22，前一數(shù)值是后一數(shù)值的根號2倍，因此光圈指數(shù)越小，則通光孔徑越大，成像靶面上的照度也就越大。
另外鏡頭的光圈還有手動(MANUAL IRIS)和自動光圈(AUTO IRIS)之分。配合高光譜成像光譜儀使用，手動光圈適合亮度變化不大的場合，它的進(jìn)光量通過鏡頭上的光圈環(huán)調(diào)節(jié)，一次性調(diào)整合適為止。自動光圈鏡頭會隨著光線的變化而自動調(diào)整，用于室外、入口等光線變化大且頻繁的場合。
5、視場和焦距的計算
視場指被攝取物體的大小，視場的大小是以鏡頭至被攝取物體距離，鏡頭焦頭及所要求的成像大小確定的。
(1) 焦距的計算
鏡頭的焦距，視場大小及鏡頭到被攝取物體的距離的計算如下：
f=wL/W或者f=hL/h
f;鏡頭焦距 w：圖象的寬度(被攝物體在CCD靶面上成象寬度)
W：被攝物體寬度 L：被攝物體至鏡頭的距離
h：圖象高度(被攝物體在ccd靶面上成像高度)視場(攝取場景)高度
H：被攝物體的高度
CCD靶面規(guī)格尺寸：單位mm
規(guī)格 | 1/3" | 1/2" | 2/3" | 1" |
w | 4.8 | 6.4 | 8.8 | 12.7 |
h | 3.6 | 4.8 | 6.6 | 9.6 |
由于高光譜成像光譜儀畫面寬度和高度與電視接收機(jī)畫面寬度和高度一樣，其比例均為4:3，當(dāng)L不變，H或W增大時，f變小，當(dāng)H或W不變，L增大時，f增大。
舉例：假設(shè)用1/2"CCD高光譜成像光譜儀觀測，被測物體寬440毫米，高330毫米，鏡頭焦點距物體2500毫米。
由公式可以算出：
焦距f=6.4 * 2500 / 440≈36毫米或f=4.8 * 2500 / 330≈36毫米
當(dāng)焦距數(shù)值算出后，如果沒有對應(yīng)焦距的鏡頭是很正常的，這時可以根據(jù)產(chǎn)品目錄選擇相近的型號，一般選擇比計算值小的，這樣視角還會大一些。
(2) 視場角的計算
如果知道了水平或垂直視場角便可按公式計算出現(xiàn)場寬度和高度。
W=2LtanQw/2 ( Qw：水平視角)
H=2LtanQh/2 ( Qh：垂直視角)
水平視場角Qw(水平觀看的角度)：Qw =2tg-1(W/2L)
垂直視場角Qh(垂直觀看的角度)：Qh =2tg-1(H/2L)
視場由寬(W)、高(H)和與高光譜成像光譜儀的距離(L)決定，一旦決定了高光譜成像光譜儀要監(jiān)視的景物，正確地選擇鏡頭的焦距就由來3個因素決定：
(1) 欲監(jiān)視景物的尺寸
(2) 高光譜成像光譜儀與景物的距離
(3) 高光譜成像光譜儀成像器的尺寸
6、選配鏡頭的原則
為了獲得預(yù)期的成像效果，在選配鏡頭時，應(yīng)著重注意六個基本要素：(1)被攝物體的大小;(2) 被攝物體的細(xì)節(jié)尺寸;(3) 物距;(4)焦距;(5) CCD攝像機(jī)靶面的尺寸;(6) 鏡頭攝像系統(tǒng)的分辨率。
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