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小菲課堂 | 詳細解析光圈與熱像儀成像質量的關系

  2020年08月20日  

  紅外熱像儀的成像質量受光圈、景深、熱靈敏度等多種因素的影像,同時景深、熱靈敏度與光圈也有密不可分的關系。那么該如何理清光圈與景深、熱靈敏之間錯綜復雜的關系呢?今天小菲就帶大家好好理一理,讓您以后使用FLIR紅外熱像儀時更加得心應手!

01 光圈的定義

  對于焦平面探測器,光圈指紅外射線可透過鏡頭的面積大小。對于制冷熱像儀,光圈制冷光欄的設計決定——它阻止了側面的寄生射線。

  光圈是焦距與孔徑直徑的比值

  對于鏡頭,光圈指的是鏡頭里面開環或者快門的直徑。這是一個無量綱的數值,是焦距與通光孔直徑的比值。越小的F值f/1或者 f/1.3,意味著更大的光圈和更多的光線進入探測器,我們形容這叫“快”;越高的F值,比如f/3或者f/4,意味著更小的光圈和更少的光線進入探測器。我們形容這叫做“慢”。

  中波和長波的系統一般配置固定光圈的鏡頭,大部分也是定焦的,變焦很少見或在更高級的配置中作為選項。短波的系統可以配置可調光圈的鏡頭(iris)。后者需要固定以確定溫度和輻射校準是有效的。

02 光圈匹配

  探測器和鏡頭的光圈必須匹配

  錯誤的匹配

  如果鏡頭比FPA探測器慢,探測器可以可以探測到從鏡頭外透射過來的射線也會探測到來自鏡頭內部的輻射。鏡頭內部一般都涂有發射紅外的涂層。所以系統對于鏡頭的溫度非常敏感,會對最終測溫產生影響。

  正確的匹配

  在這張圖中,鏡頭比制冷光欄快一點,探測器可以探測到透過鏡頭的輻射。但是系統對于鏡頭溫度不敏感。

  景深和光圈成比例,也和聚焦距離有關系。數學公式不是線性的(如下):

  一般而言,為了收集到足夠的光,非制冷熱像儀需要更快的光路,這對于圖像質量有幫助(更少的噪聲),但是景深會差一點,如果在很近的距離工作,往往熱像儀不能在全視場對焦。

  下面的圖片展示了在標準配置下兩種設備的景深和工作距離的關系(所有制以毫米為單位)。

  非制冷

  ● A615, 640 x 480

  ● 24 mm lens, f/1.0.

  ● Pitch 17 μm

  制冷

  ● A6651, 640 x 512

  ● 25 mm lens, f/2.5.

  ● Pitch 15 μm

  由于更好的景深,制冷熱像儀能更好地工作,特別是近距離測溫的應用當中。A6651也可以配 F/4.0的鏡頭。這樣熱像儀會有更好的景深但是卻需要更長的積分時間保證信噪比。

03 熱靈敏度

  熱靈敏度是設備的系統噪音的品質參數。他表示了熱分辨率,是測試最小溫差的能力。這不是個恒定值。

  ● 在給定測量范圍內,溫度越高熱靈敏度越小(更好)。

  ● 當測量范圍變大,熱靈敏度就會變大(不好)。

  ● 對于制冷熱像儀,積分時間減小會導致熱靈敏度變大(不好)。

  熱靈敏度是通過短時間的統計核算算出來的。注意在正常的操作溫度中和熱靈敏度一樣的溫差是測量不出來的。假設噪聲是高斯分布的,需要6倍的熱靈敏度值才能確認這是不是一個噪聲。

  下面的圖標顯示了低熱靈敏度(更好)和高熱靈敏度(不好)。

  低熱靈敏度

  高熱靈敏度

  熱靈敏度一般定義在30度的時候,如下表:

  看上去所有的系統都有很好的噪聲性能,一些非制冷的探測器看上去和制冷探測器性能差不多。但是比較熱靈敏度,一個重要的因素就是測量的時候把光圈的值考慮進去。把熱靈敏度除以光圈的面積,歸一化到f/1.0,可以得到可比較的熱靈敏度值如下表所示:

  比較的結論是制冷探測器更敏感,可以探測更小的溫差,這對熱像儀的應用很重要。

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