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高光谱成像光谱仪镜头的选择和镜头参数计算

镜头是高光谱成像光谱仪的关键设备,它的质量(指标)优劣直接影响高光谱成像光谱仪的整机指标,因此,镜头的选择是否恰当关系到高光谱成像光谱仪整机的质量。

 

1、镜头的分类

(1) 以镜头安装分类

所有的高光谱成像光谱仪镜头均是螺纹口的,CCD高光谱成像光谱仪的镜头安装有两种工业标准,即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同,但两者从镜头到感光表面的距离不同。

C安装座:从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm

CS安装座:特种C安装,此时应将高光谱成像光谱仪前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座高光谱成像光谱仪上时,则需要使用镜头转换器。

 图片11.png

(2) 以高光谱成像光谱仪镜头规格分类

高光谱成像光谱仪镜头规格应视高光谱成像光谱仪的CCD尺寸而定,两者应相对应。即高光谱成像光谱仪的CCD靶面大小为1/2英寸时,镜头应选1/2英寸。高光谱成像光谱仪的CCD靶面大小为1/3英寸时,镜头应选1/3英寸。高光谱成像光谱仪的CCD靶面大小为1/4英寸时,镜头应选1/4英寸。如果镜头尺寸与高光谱成像光谱仪CCD靶面尺寸不一致时,观察角度将不符合设计要求,或者发生画面在焦点以外等问题。

 

(3) 以镜头的视场大小分类

标准镜头:视角30度左右,在1/2英寸CCD高光谱成像光谱仪中,标准镜头焦距定为12mm,在1/3英寸CCD高光谱成像光谱仪中,标准镜头焦距定为8mm

广角镜头:视角90度以上,焦距可小于几毫米,可提供较宽广的视景。

远摄镜头:视角20度以内,焦距可达几米甚至几十米,此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大,但使观察范围变小。

变倍镜头(zoom lens):也称为伸缩镜头,有手动变倍镜头和电动变倍镜头两类。

可变焦点镜头(vari-focus lens):它介于标准镜头与广角镜头之间,焦距连续可变,即可将远距离物体放大,同时又可提供一个宽广视景,使监视范围增加。变焦镜头可通过设置自动聚焦于最小焦距和最大焦距两个位置,但是从最小焦距到最大焦距之间的聚焦,则需通过手动聚焦实现。

针孔镜头:镜头直径几毫米,可隐蔽安装。

 

(4) 从镜头焦距上分

短焦距镜头:因入射角较宽,可提供一个较宽广的视野。

中焦距镜头:标准镜头,焦距的长度视CCD的尺寸而定。

长焦距镜头:因入射角较狭窄,故仅能提供狭窄视景,适用于长距离监视。

变焦距镜头:通常为电动式,可作广角、标准或远望等镜头使用。

 

2、选择镜头的技术依据

(1) 镜头的成像尺寸

应与高光谱成像光谱仪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英寸等规格。

 

(2) 镜头的分辨率

描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变,但对用户而言,需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率,以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位,计算公式为:

镜头分辨率N=180 / 画幅格式的高度。

由于高光谱成像光谱仪CCD靶面大小已经标准化,如1/2英寸高光谱成像光谱仪,其靶面为宽6.4mm*4.8mm1/3英寸高光谱成像光谱仪为宽4.8mm*3.6mm,因此对1/2英寸格式的CCD靶面,镜头的最低分辨率应为38对线/mm。对1/3英寸格式高光谱成像光谱仪,镜头的分辨率应大于50对线,高光谱成像光谱仪的靶面越小,对镜头的分辨率越高。

 

(3) 镜头焦距与视野角度

首先根据高光谱成像光谱仪到被监控目标的距离,选择镜头的焦距,镜头焦距f 确定后,则由高光谱成像光谱仪靶面决定了视野。

 

(4) 光圈或通光量

镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量,以F为标记,每个镜头上均标有其最大的F值,通光量与F值的平方成反比关系,F值越小,则光圈越大。所以应根据被监控部分的光线变化程度来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头

 

3、镜头与高光谱成像光谱仪CCD尺寸的关系

1/2"镜头既可用于1/2"高光谱成像光谱仪,也可用于1/3"高光谱成像光谱仪,但视角会减少25%左右。1/3"镜头不能用于1/2"高光谱成像光谱仪,只能用于1/3"高光谱成像光谱仪。

 

4、镜头的主要性能指标有以下几个:

(1) 焦距

焦距的大小决定着视场角的大小,焦距数值小,视场角大,所观察的范围也大,但距离远的物体分辨不很清楚;焦距数值大,视场角小,观察范围小,只要焦距选择合适,即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的,一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角,所以在选择镜头焦距时,应该充分考虑是观测细节重要,还是有一个大的观测范围重要,如果要看细节,就选择长焦距镜头;如果看近距离大场面,就选择小焦距的广角镜头。

 

(2) 光阑系数(光通量)

即光通量,用F表示,以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都标有最大F值,例如6mm/F1.4代表最大孔径为4.29毫米。光通量与F值的平方成反比关系,F值越小,光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值为1.422.845.68111622等,其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的2倍。也就是说镜头的通光孔径分别是1/1.41/21/2.81/41/5.61/81/111/161/22,前一数值是后一数值的根号2倍,因此光圈指数越小,则通光孔径越大,成像靶面上的照度也就越大。

 

另外镜头的光圈还有手动(MANUAL IRIS)和自动光圈(AUTO IRIS)之分。配合高光谱成像光谱仪使用,手动光圈适合亮度变化不大的场合,它的进光量通过镜头上的光圈环调节,一次性调整合适为止。自动光圈镜头会随着光线的变化而自动调整,用于室外、入口等光线变化大且频繁的场合。

 

5、视场和焦距的计算

视场指被摄取物体的大小,视场的大小是以镜头至被摄取物体距离,镜头焦头及所要求的成像大小确定的。

 

(1) 焦距的计算

镜头的焦距,视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下:

f=wL/W或者f=hL/h

f;镜头焦距       w:图象的宽度(被摄物体在CCD靶面上成象宽度)

W:被摄物体宽度    L:被摄物体至镜头的距离

h:图象高度(被摄物体在ccd靶面上成像高度)视场(摄取场景)高度

H:被摄物体的高度

CCD靶面规格尺寸:单位mm

规格

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

由于高光谱成像光谱仪画面宽度和高度与电视接收机画面宽度和高度一样,其比例均为4:3,当L不变,HW增大时,f变小,当HW不变,L增大时,f增大。

 

举例:假设用1/2CCD高光谱成像光谱仪观测,被测物体宽440毫米,高330毫米,镜头焦点距物体2500毫米。

 

由公式可以算出:

焦距f=6.4 * 2500 / 44036毫米或f=4.8 * 2500 / 33036毫米

当焦距数值算出后,如果没有对应焦距的镜头是很正常的,这时可以根据产品目录选择相近的型号,一般选择比计算值小的,这样视角还会大一些。

 

(2) 视场角的计算

如果知道了水平或垂直视场角便可按公式计算出现场宽度和高度。

W=2LtanQw/2 ( Qw:水平视角)

H=2LtanQh/2 ( Qh:垂直视角)

水平视场角Qw(水平观看的角度)Qw =2tg-1(W/2L)

垂直视场角Qh(垂直观看的角度)Qh =2tg-1(H/2L)

视场由宽(W)、高(H)和与高光谱成像光谱仪的距离(L)决定,一旦决定了高光谱成像光谱仪要监视的景物,正确地选择镜头的焦距就由来3个因素决定:

(1) 欲监视景物的尺寸

(2) 高光谱成像光谱仪与景物的距离

(3) 高光谱成像光谱仪成像器的尺寸

 

6、选配镜头的原则

为了获得预期的成像效果,在选配镜头时,应着重注意六个基本要素:(1)被摄物体的大小;(2) 被摄物体的细节尺寸;(3) 物距;(4)焦距;(5) CCD摄像机靶面的尺寸;(6) 镜头摄像系统的分辨率。

 


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