鏡頭焦距對紋影成像的影響

作者：由 luftvis-schlieren 發表于攝影時間：2022-02-04

成像是紋影實驗的關鍵環節，一個合適焦距的鏡頭不僅可以讓我們充分利用相機感光晶片，不留空白區域；同時也可以獲得理想的影象解析度。那麼在實驗的時候，我們究竟如何選擇鏡頭的焦距？可能很多人一直都有這個問題。今天，就讓我們透過一個具體的實驗分析一下焦距對紋影成像的影響，以及鏡頭焦距的選擇。

實驗佈置

實驗使用兩面鷺威150mm紋影反射鏡搭建Z形光路。光源採用的是鷺威公司開發的功率5W的LED點光源。該光源的優點是集成了可調光圈，控制光斑的大小。紋影實驗的測試區域就在兩面鏡子之間的平行光路的中間。

圖1，紋影光路設定

圖2，實驗成像端佈置及引數

實驗中的相機則採用Raspberry HQ相機，這款相機可以透過Raspberry Pi主機板控制採集圖片。以後我會專門做一期如何使用不同相機平臺進行紋影實驗的內容。Raspberry HQ相機透過轉接頭固定在1英寸的光學籠板上（Cage Plate #1）。圖中可以看到，成像的鏡片固定於另一塊籠板（Cage Plate #2）。兩塊籠板透過連線杆固定，2號籠板可以沿著連線杆滑動，調整距離，進行對焦。實驗裡總共使用了四個不同焦距的凸透鏡，焦距分別為25。4mm， 35mm， 40mm和50mm。這四個透鏡直徑都是25。4mm（即1英寸）。

為了確認對焦效果，在測試區域放置了一個M6的螺絲。如果螺紋能夠清晰地看到，則說明對焦成功。紋影的效果則透過點燃的蠟燭來實現。為了更加清晰的顯示流動結構，刀口垂直放置。

結果對比

由於是文字，實驗的過程就沒法顯示了。那麼就直接對比結果吧。

首先看焦距25。4mm焦距鏡片的結果。被蠟燭火焰加熱的氣柱清晰可見，也是我們期望中的紋影效果。同時螺釘的螺紋也在圖片中非常清晰，說明對焦效果很好。此外，透過螺釘也可以實現圖片解析度的計算。該螺釘外徑為5。8mm，在圖片中佔據57pixel，因而圖片空間解析度為101μm/pixel。大家可能已經注意到了圖片中圓形照亮區域就是紋影反射鏡，而兩側的黑色區域是相機晶片中未被照亮的區域。很顯然，當前實驗並沒有完全利用相機晶片的所有畫素，但是紋影反射鏡囊括的整個視場幾乎都被採集到了。

圖3，f=25。5mm所獲紋影圖片

圖4，f=35mm所獲紋影圖片

圖5，f=40mm所獲紋影圖

圖6，f=50mm所獲紋影圖

接下來我們考察一下不同焦距鏡頭對紋影成像的影響。參考圖片，隨著鏡頭焦距的增加，影象放大的效果越加明顯，晶片的利用率也越來越高。當鏡頭焦距為50mm的時候，整個畫幅都被充滿。

鏡頭焦距增加，影象的空間解析度也隨之增加，透過計算以圖線的形式呈現。解析度的數值越小，說明可以看到更加多的細節。例如，圖中的螺紋越來越清晰。所以，如果我們的測試區域比較小的話，可以使用長焦距的鏡頭，在獲得流場細節的同時可以充分利用相機的所有畫素。

可能有人要問，是不是可以無限制的放大。答案是否定的，隨著焦距的逐漸增大，進入相機的光亮也逐漸減少，紋影圖片也會變暗，其實上面四張圖片的亮度也是在逐漸變暗的。在我們之前看過的微型超音速射流（點選觀看影片）裡面，為了顯示射流出口的細節，分別用了三個不同焦距的鏡頭，分別是50mm， 100mm， 200mm。焦距長了，圖片亮度的變化就更加顯著。