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GA 1" SWIR短波近紅外鏡頭系列為1" 像面設(shè)計，像面直徑達16.4mm,，F(xiàn)#1.4,，工作波長為700-1700nm，匹配絕大多數(shù)的面陣短波近紅外相機,。

GA 1" SWIR短波近紅外鏡頭特點
1. 1" 像面設(shè)計,，最大成像尺寸達16.4mm；
2. 工作波長700-1700nm,；
3. 大光圈設(shè)計,，適用于低照度環(huán)境；
4. 特殊光學優(yōu)化,，中心與邊緣一致性高

參數(shù)：

VIS是visible light的縮寫,，即可見光。一般是指電磁波譜中人眼可以感知的部分,?？梢姽庾V沒有精確的范圍，一般人的眼睛可以感知的光譜波長為400nm-780nm之間,。

NIR是near infrared rays的縮寫,，即近紅外光。近紅外光是一個以應(yīng)用劃分的概念,，沒有非?？茖W的定義，一般是指波長是780-1000nm的光,，也有定義為780-1200nm,。

VIS-NIR鏡頭的由來：相機芯片廠家優(yōu)化了可見光芯片的工作波段，使其能工作波段覆蓋400-1000nm（也會有400-1100nm,400-1200nm的產(chǎn)品）,，并命名這樣的相機為VIS-NIR相機,。因此，匹配此類型相機的鏡頭被命名為VIS-NIR鏡頭,。

SWIR是Short Wave Infrared Radiation,，即短波近紅外光。短波近紅外光一般是指波長為800-3000nm的光,。所以SWIR鏡頭也可以理解為工作波長在800-3000nm的鏡頭,。但短波近紅外相機的工作波段一般為900-1700nm，因此多數(shù)廠家定義SWIR鏡頭為工作波段覆蓋900-1700nm的鏡頭,。

鏡頭是成像部件,，它收集被觀測物體發(fā)出的光,，在后方成像。鏡頭配合相機使用,，相機是記錄鏡頭所成像的部件,，相機本身不能成像。
鏡頭有許多參數(shù),，可以根據(jù)實際使用需求選擇合適的參數(shù),。
以下是鏡頭參數(shù)的解釋說明。

1. 焦距

焦距是指鏡頭的光學中心（光學后主點）到成像面焦點的距離,，平行光通過鏡頭匯聚于一點,，這個點就是所說的焦點，是鏡頭的重要性能指標,。
一般常用的工業(yè)鏡頭的焦距為8mm,、12mm、16mm,、25mm,、35mm、50mm等,。
焦距是光學系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式,。
焦距的大小決定著視場角的大小，焦距數(shù)值小,，觀察的范圍大,；焦距數(shù)值大，視場角小,，觀察范圍小,。

圖1：鏡頭焦距與工作距離選擇

焦距f ÷ 工作距離 WD = 傳感器橫向尺寸 ÷ 橫向視野尺寸 = 傳感器縱向尺寸 ÷ 縱向視野尺寸

后焦距：鏡頭最后一個鏡片表面頂點到焦點的距離。因?qū)箷r鏡頭后鏡片可能移動,，一般標注無窮遠對焦時的后焦距,，也就是最小后焦距，有限距離成像時后焦距會增大,。

2. F值
光圈F值又稱為光圈數(shù),，是鏡頭焦距與有效孔徑(即光圈)之比。

F值衡量光學系統(tǒng)通光量的大小,。

圖2：光圈與景深

      

       
使用某一款相機,，在相同工作距離下拍攝，不同焦距的鏡頭也會有不同的視場角,。

圖4：同款相機,，相同工作距離，不同焦距的拍攝效果（注：圖中所標為水平視場角）

視場角與焦距有關(guān),，如下圖片：視場角與鏡頭焦距,。

圖5：鏡頭焦距與視場角

       理想的鏡頭成像，物平面與像平面上的放大倍率是固定的,，但實際這一性質(zhì)只有在圖像中心區(qū)域的小視場才具備,。圖像的放大倍率會隨著視場增大而變化，使成像產(chǎn)生失真,。
       鏡頭對被攝物體所成的像相對于物體本身的失真程度稱為畸變,。
通常分為兩種：
       枕形畸變：鏡頭成像畫面呈向中間收縮的失真現(xiàn)象。
       桶形畸變：鏡頭成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象,。

圖6：枕形畸變與桶形畸變

 

       畸變會使圖像變形,，但不影響成像分辨率，可以使用軟件校正,。

 

5. 接口
       相機和鏡頭的連接方式即為鏡頭的光學接口,，業(yè)內(nèi)對于光學接口已經(jīng)形成了標準的規(guī)范,。例如CS口、C口,、F口,。在工業(yè)應(yīng)用中，一般C口和CS口用在小傳感器尺寸相機上,，F(xiàn)口用在大傳感器尺寸相機上,。此外，還有線陣相機常用接口M42,、M58,、M72等，顧名思義這些就是某個直徑的螺紋口,。

 

卡口	機身相場定位(法蘭)距離	接口類型
C	17.526mm	螺紋M25.4×0.8
CS	12.5mm	螺紋M25.4×0.8
F	46.5mm	三爪卡口
M42（SLR型）	45.5mm	螺紋M42×1
M42（T型）	55mm	螺紋M42×0.75
M58	11.48mm	螺紋M58×0.75
M72	11.48mm	螺紋M72×0.75

表2：鏡頭接口規(guī)格

 

 

6. 最大傳感器尺寸

       鏡頭在像平面的成像是圓形,，但接收圖像的傳感器通常為矩形，所以最終保存的圖像是矩形,。鏡頭成像尺寸會以通用尺寸的傳感器設(shè)計,，使得圓形像外接矩形傳感器，這個傳感器尺寸就是該鏡頭的最大傳感器尺寸,。
       如果使用更大尺寸的傳感器,，四個角會在鏡頭圓形像之外。
       可以使用更小尺寸的傳感器,，傳感器只采集到圓形像較小區(qū)域,，視場和視場角會變小。
 

(左圖) 圖7：視場角與傳感器  ,、  （右圖）圖8：像圈外接在匹配的傳感器四角
            

       入瞳距離：入瞳是限制入射光束的有效孔徑,，是孔徑光闌被前方光學系統(tǒng)所成的像；入瞳距離是入瞳與鏡頭第一個鏡片表面的距離,。
       入瞳直徑：孔徑光闌對前方光學系統(tǒng)所成的像的大小,。
       出瞳距離：出瞳是限制出射光束的有效孔徑，是孔徑光闌被后方光學系統(tǒng)所成的像,；出瞳距離是出瞳與鏡頭最后一個鏡片表面的距離,。
       出瞳直徑：孔徑光闌對后方光學系統(tǒng)所成的像的大小。

       孔徑光闌

圖9：入瞳與孔徑光闌

 

       鏡頭中對入射光束有限制作用的,，如透鏡邊緣,，螺紋，鏡筒壁等,，都可以稱為光闌,。
       如圖，1，2鏡片邊緣,，3光圈都可以限制入射光束,，圖中能通過1號鏡片的光束只有一部分能進入2號鏡片，通過2號鏡片的光束只有一部分能進入3號光圈,，所以3號光圈最終限制能進入鏡頭成像的光束大小,。
       最終限制鏡頭入射光束大小的光闌稱為孔徑光闌。
       表示孔徑光闌的大小并非實際尺寸,，而是通過前方或后方所有光學元件成像的大小。圖中,，在A點觀測時,，3號光圈被1號和2號透鏡放大成4號虛像，A點發(fā)出的光經(jīng)1號2號透鏡進入3號光圈,，與光從A點直接進入4號等效,。把光圈對兩個透鏡所成的4號像稱為入瞳。
       孔徑光闌被前方光學系統(tǒng)所成的像,，叫做入瞳,，像的直徑為入瞳直徑。
       孔徑光闌被后方光學系統(tǒng)所成的像,，叫做出瞳,，像的直徑為出瞳直徑。

 

8. 光學總長
       鏡頭第一片鏡片表面到像平面的距離,。

圖10：光學總長

 

9. 放大倍率

 

       是指物體通過鏡頭在焦平面上的成像大小與物體實際大小的比值,。定焦鏡頭一般成倒像，放大倍率帶負號,。
       對同一個鏡頭而言,，光學倍率與被拍攝物體距離鏡頭的遠近有關(guān)；在最短工作距離對焦時,，光學倍率最大,。

 

8mm 2/3" 5M 定焦鏡頭  對焦距離與放大倍率
對焦距離	放大倍率	前景深(mm)	后景深(mm)	對焦距離	放大倍率	前景深(mm)	后景深(mm)
100mm	-0.072	1.019	1.066	350mm	-0.023	17.924	21.972
150mm	-0.050	2.392	2.552	400mm	-0.020	23.241	29.297
200mm	-0.039	6.366	6.984	500mm	-0.016	35.204	50.558
250mm	-0.031	12.981	16.026	750mm	-0.011	70.795	81.776
300mm	-0.026	26.267	14.553	1000mm	-0.008	160.004	160.975

 

表4：對焦距離與放大倍率

 

 

10. 景深

 

       鏡頭對某一物平面對焦后，在對焦平面的前后都有一段能清晰成像的范圍,，分別稱為前景深和后景深,。
       景深=前景深+后景深；

圖11：景深

 

       像方彌散圓：成像光束未會聚于一點,，在像平面上形成一個擴散的圓形投影,，稱為彌散圓。
       景深ΔL=ΔL1+ΔL2
              δ：彌散圓直徑,；
              f ：焦距,；
              F：光圈F值；
              L：工作距離；

       減小光圈（增大F值）,、增加工作距離,、選擇小焦距鏡頭均可使景深增加。

11. 工作距離

       指從鏡頭前部到被觀測物體的距離,。

12. 主光角CRA

       鏡頭CRA,，表示鏡頭主光線與光軸的夾角。主光線是從被觀測物體發(fā)射,，經(jīng)孔徑光闌的中心到成像的光線,。
       傳感器CRA：可以聚焦到像素上的光線的最大角度。超過此角度的光束不能被傳感器接收,。
       一般要求鏡頭CRA不大于相機傳感器CRA,。

圖12：傳感器主光角

a.像素上方聚光透鏡，b.金屬導線,，c.光電轉(zhuǎn)換區(qū)域,。

       圖中1號光線主光角超過傳感器CRA，光線無法到達光電轉(zhuǎn)換區(qū)域,；2號3號主光角小于傳感器CRA,，光線可以到達光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。

 

13. 分辨率
       鏡頭的分辨率是指鏡頭可以分辨兩個靠近的點的能力,，也稱為解析力,。鏡頭分辨率通常使用MTF曲線表征。MTF曲線表示空間頻率與傳遞函數(shù)值的關(guān)系,?？臻g頻率是每mm線對數(shù)，可以代表兩個點的靠近程度,。傳遞函數(shù)代表反差即能分辨出兩個靠近點的程度,。
       傳感器分辨率一般指橫向與縱向像素數(shù)乘積，如500萬像素,，傳感器橫向與縱向像素數(shù)為2560×1920,。單個像素即像元的尺寸，與傳感器的尺寸和分辨率相對應(yīng),?？梢愿鶕?jù)表3傳感器尺寸除以像素數(shù)量，得到像元尺寸,。如2/3" 500萬傳感器,，像元尺寸3.4μm。鏡頭的分辨率應(yīng)與像元尺寸匹配,。通常按照線對尺寸的一半選擇像元尺寸,。例如，1/1.8" 小像元鏡頭，是230lp/mm高分辨率設(shè)計,，線對尺寸1000/230μm=4.34μm,，匹配像元尺寸為4.24/2μm=2.17μm，可以匹配市面上2.2μm的傳感器,。選擇比2.2μm小的像元,，并不能帶來更豐富的細節(jié)。

 

14. MTF曲線

       橫軸表示空間頻率,，即每mm線對數(shù),。縱坐標表示傳遞函數(shù),，數(shù)值為1,，線對對比明顯，可清晰分辨,；數(shù)值為0，線對沒有反差無法分辨,。
       圖14中有多條曲線,，每條曲線都標注像高。0mm表示軸上MTF數(shù)值,，4.5mm表示軸外像高4.5mm的MTF數(shù)值,。不同像高的MTF曲線趨勢一致不分散，表示鏡頭軸上軸外一致性高,。黑色直線代表受衍射極限限制的MTF數(shù)值,。
       在低頻空間的MTF反應(yīng)鏡頭反差，高頻空間的MTF反應(yīng)鏡頭分辨率,。理想的成像鏡頭MTF曲線應(yīng)緩慢下降,。
 

圖13：1/1.8"小像元鏡頭MTF曲線
 

 

15. 其他解釋

 

       變焦：當不方便通過改變工作距離來控制成像大小時，可以更換其他焦距的鏡頭,，或者使用變焦鏡頭,。變焦鏡頭比定焦鏡頭多一個調(diào)焦環(huán)，旋轉(zhuǎn)調(diào)焦環(huán)可以改變視場角,，當工作距離不變時,，可以改變成像的大小。

 

       對焦：定焦鏡頭的焦距是固定不變的,，當改變工作距離,，手動調(diào)節(jié)鏡頭使成像清晰的過程稱為對焦。定焦鏡頭一般有兩個轉(zhuǎn)環(huán)：對焦和光圈調(diào)節(jié),。

 

       調(diào)焦：在使用定焦鏡頭時,，通常所說的調(diào)焦，其實是對焦。通過旋轉(zhuǎn)對焦環(huán),，使成像清晰,。

       對焦與調(diào)焦的區(qū)別： 對焦過程不會改變視場角，即不會改變視場范圍,，工作距離確定后對焦不會改變成像大?。蛔兘圭R頭調(diào)焦時會改變視場角（視場范圍,，放大倍率,，成像的大小）,，一般調(diào)焦完成,，需要再次對焦成清晰的像。

       焦距,，工作距離與放大倍率：

（圖左）圖14：相同鏡頭,，工作距離增大，放大倍率減小 ,、 （圖右）圖15：相同工作距離,，小焦距鏡頭，放大倍率??；大焦距鏡頭，放大倍率大

          

 

在實際應(yīng)用中,，可以通過調(diào)節(jié)工作距離,，或者更換不同焦距的鏡頭，來改變圖像大小,。