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机器视觉

小菲课堂 | 详细解析光圈与热像仪成像质量的关系

  2020年08月20日  

  红外热像仪的成像质量受光圈、景深、热灵敏度等多种因素的影像,同时景深、热灵敏度与光圈也有密不可分的关系。那么该如何理清光圈与景深、热灵敏之间错综复杂的关系呢?今天小菲就带大家好好理一理,让您以后使用FLIR红外热像仪时更加得心应手!

01 光圈的定义

  对于焦平面探测器,光圈指红外射线可透过镜头的面积大小。对于制冷热像仪,光圈制冷光栏的设计决定——它阻止了侧面的寄生射线。

  光圈是焦距与孔径直径的比值

  对于镜头,光圈指的是镜头里面开环或者快门的直径。这是一个无量纲的数值,是焦距与通光孔直径的比值。越小的F值f/1或者 f/1.3,意味着更大的光圈和更多的光线进入探测器,我们形容这叫“快”;越高的F值,比如f/3或者f/4,意味着更小的光圈和更少的光线进入探测器。我们形容这叫做“慢”。

  中波和长波的系统一般配置固定光圈的镜头,大部分也是定焦的,变焦很少见或在更高级的配置中作为选项。短波的系统可以配置可调光圈的镜头(iris)。后者需要固定以确定温度和辐射校准是有效的。

02 光圈匹配

  探测器和镜头的光圈必须匹配

  错误的匹配

  如果镜头比FPA探测器慢,探测器可以可以探测到从镜头外透射过来的射线也会探测到来自镜头内部的辐射。镜头内部一般都涂有发射红外的涂层。所以系统对于镜头的温度非常敏感,会对最终测温产生影响。

  正确的匹配

  在这张图中,镜头比制冷光栏快一点,探测器可以探测到透过镜头的辐射。但是系统对于镜头温度不敏感。

  景深和光圈成比例,也和聚焦距离有关系。数学公式不是线性的(如下):

  一般而言,为了收集到足够的光,非制冷热像仪需要更快的光路,这对于图像质量有帮助(更少的噪声),但是景深会差一点,如果在很近的距离工作,往往热像仪不能在全视场对焦。

  下面的图片展示了在标准配置下两种设备的景深和工作距离的关系(所有制以毫米为单位)。

  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,制冷热像仪能更好地工作,特别是近距离测温的应用当中。A6651也可以配 F/4.0的镜头。这样热像仪会有更好的景深但是却需要更长的积分时间保证信噪比。

03 热灵敏度

  热灵敏度是设备的系统噪音的品质参数。他表示了热分辨率,是测试最小温差的能力。这不是个恒定值。

  ● 在给定测量范围内,温度越高热灵敏度越小(更好)。

  ● 当测量范围变大,热灵敏度就会变大(不好)。

  ● 对于制冷热像仪,积分时间减小会导致热灵敏度变大(不好)。

  热灵敏度是通过短时间的统计核算算出来的。注意在正常的操作温度中和热灵敏度一样的温差是测量不出来的。假设噪声是高斯分布的,需要6倍的热灵敏度值才能确认这是不是一个噪声。

  下面的图标显示了低热灵敏度(更好)和高热灵敏度(不好)。

  低热灵敏度

  高热灵敏度

  热灵敏度一般定义在30度的时候,如下表:

  看上去所有的系统都有很好的噪声性能,一些非制冷的探测器看上去和制冷探测器性能差不多。但是比较热灵敏度,一个重要的因素就是测量的时候把光圈的值考虑进去。把热灵敏度除以光圈的面积,归一化到f/1。0,可以得到可比较的热灵敏度值如下表所示:

  比较的结论是制冷探测器更敏感,可以探测更小的温差,这对热像仪的应用很重要。

标签:菲力尔FLIR我要反馈
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