高光譜成像光譜儀鏡頭的分類與選擇

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(diǎn)的距離是17.526mm。

CS安裝座：特種C安裝，此時(shí)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(diǎn)的距離是12.5mm。如果要將一個(gè)C安裝座鏡頭安裝到一個(gè)CS安裝座高光譜成像光譜儀上時(shí)，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(duì)應(yīng)。即高光譜成像光譜儀的CCD靶面大小為1/2英寸時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，觀察角度將不符合設(shè)計(jì)要求，或者發(fā)生畫面在焦點(diǎn)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(dòng)變倍鏡頭和電動(dòng)變倍鏡頭兩類。

可變焦點(diǎn)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(shí)又可提供一個(gè)寬廣視景，使監(jiān)視范圍增加。變焦鏡頭可通過設(shè)置自動(dòng)聚焦于最小焦距和最大焦距兩個(gè)位置，但是從最小焦距到最大焦距之間的聚焦，則需通過手動(dòng)聚焦實(shí)現(xiàn)。

針孔鏡頭：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(gè)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(dòng)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(duì)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(jì)量單位，計(jì)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(duì)1/2英寸格式的CCD靶面，鏡頭的最低分辨率應(yīng)為38對(duì)線/mm。對(duì)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(duì)線，高光譜成像光譜儀的靶面越小，對(duì)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(gè)鏡頭上均標(biāo)有其最大的F值，通光量與F值的平方成反比關(guān)系，F(xiàn)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(dòng)光圈還是用自動(dòng)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(huì)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(gè)：

（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(duì)應(yīng)的，一個(gè)確定的焦距就意味著一個(gè)確定的視場角，所以在選擇鏡頭焦距時(shí)，應(yīng)該充分考慮是觀測(cè)細(xì)節(jié)重要，還是有一個(gè)大的觀測(cè)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(gè)鏡頭上都標(biāo)有最大F值，例如6mm/F1.4代表最大孔徑為4.29毫米。光通量與F值的平方成反比關(guān)系，F(xiàn)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(gè)標(biāo)值時(shí)的曝光量正好是后一個(gè)標(biāo)值對(duì)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(hào)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(dòng)（MANUAL IRIS）和自動(dòng)光圈（AUTO IRIS）之分。配合高光譜成像光譜儀使用，手動(dòng)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(dòng)光圈鏡頭會(huì)隨著光線的變化而自動(dòng)調(diào)整，用于室外、入口等光線變化大且頻繁的場合。

責(zé)任編輯：tzh