成像是紋影實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一個合適焦距的鏡頭不僅可以讓我們充分利用相機感光芯片，不留空白區(qū)域；同時也可以獲得理想的圖像分辨率。那么在實驗的時候，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，就讓我們通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。

實驗布置

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

實驗中的相機則采用Raspberry HQ相機，這款相機可以通過Raspberry Pi主板控制采集圖片。以后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(nèi)容。Raspberry HQ相機通過轉(zhuǎn)接頭固定在1英寸的光學(xué)籠板上（Cage Plate #1）。圖中可以看到，成像的鏡片固定于另一塊籠板（Cage Plate #2）。兩塊籠板通過連接桿固定，2號籠板可以沿著連接桿滑動，調(diào)整距離，進行對焦。實驗里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(rèn)對焦效果，在測試區(qū)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。紋影的效果則通過點燃的蠟燭來實現(xiàn)。為了更加清晰的顯示流動結(jié)構(gòu)，刀口垂直放置。

結(jié)果對比

由于是文字，實驗的過程就沒法顯示了。那么就直接對比結(jié)果吧。

首先看焦距25.4mm焦距鏡片的結(jié)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?shù)穆菁y也在圖片中非常清晰，說明對焦效果很好。此外，通過螺釘也可以實現(xiàn)圖片分辨率的計算。該螺釘外徑為5.8mm，在圖片中占據(jù)57pixel，因而圖片空間分辨率為101μm/pixel。大家可能已經(jīng)注意到了圖片中圓形照亮區(qū)域就是紋影反射鏡，而兩側(cè)的黑色區(qū)域是相機芯片中未被照亮的區(qū)域。很顯然，當(dāng)前實驗并沒有完全利用相機芯片的所有像素，但是紋影反射鏡囊括的整個視場幾乎都被采集到了。

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，圖像放大的效果越加明顯，芯片的利用率也越來越高。當(dāng)鏡頭焦距為50mm的時候，整個畫幅都被充滿。

鏡頭焦距增加，圖像的空間分辨率也隨之增加，通過計算以圖線的形式呈現(xiàn)。分辨率的數(shù)值越小，說明可以看到更加多的細(xì)節(jié)。例如，圖中的螺紋越來越清晰。所以，如果我們的測試區(qū)域比較小的話，可以使用長焦距的鏡頭，在獲得流場細(xì)節(jié)的同時可以充分利用相機的所有像素。

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（點擊觀看視頻）里面，為了顯示射流出口的細(xì)節(jié)，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。

總結(jié)

讀到最后，想必大家對鏡頭焦距對紋影成像的影響有了更加直觀的了解。那么該如何選擇呢？簡言之：

• 如果實驗需要完整的與反射鏡等大的視場，選擇焦距較小的鏡頭。

• 如果實驗觀察局部流場，則需要選擇焦距相對長一點的鏡頭，這樣不但可以顯示足夠多的細(xì)節(jié)，而且可以充分利用相機芯片。

結(jié)尾，把上面四幅紋影圖片放在一起展示一下，效果是不是更加一目了然!

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