成像是纹影实验的关键环节，一个合适焦距的镜头不仅可以让我们充分利用相机感光芯片，不留空白区域；同时也可以获得理想的图像分辨率。那么在实验的时候，我们究竟如何选择镜头的焦距?可能很多人一直都有这个问题。今天，就让我们通过一个具体的实验分析一下焦距对纹影成像的影响，以及镜头焦距的选择。

实验布置

实验使用两面鹭威150mm纹影反射镜搭建Z形光路。光源采用的是鹭威公司开发的功率5W的LED点光源。该光源的优点是集成了可调光圈，控制光斑的大小。纹影实验的测试区域就在两面镜子之间的平行光路的中间。

实验中的相机则采用Raspberry HQ相机，这款相机可以通过Raspberry Pi主板控制采集图片。以后我会专门做一期如何使用不同相机平台进行纹影实验的内容。Raspberry HQ相机通过转接头固定在1英寸的光学笼板上（Cage Plate #1）。图中可以看到，成像的镜片固定于另一块笼板（Cage Plate #2）。两块笼板通过连接杆固定，2号笼板可以沿着连接杆滑动，调整距离，进行对焦。实验里总共使用了四个不同焦距的凸透镜，焦距分别为25.4mm, 35mm, 40mm和50mm。这四个透镜直径都是25.4mm（即1英寸）。

为了确认对焦效果，在测试区域放置了一个M6的螺丝。如果螺纹能够清晰地看到， 则说明对焦成功。纹影的效果则通过点燃的蜡烛来实现。为了更加清晰的显示流动结构，刀口垂直放置。

结果对比

由于是文字，实验的过程就没法显示了。那么就直接对比结果吧。

首先看焦距25.4mm焦距镜片的结果。被蜡烛火焰加热的气柱清晰可见，也是我们期望中的纹影效果。同时螺钉的螺纹也在图片中非常清晰，说明对焦效果很好。此外，通过螺钉也可以实现图片分辨率的计算。该螺钉外径为5.8mm，在图片中占据57pixel，因而图片空间分辨率为101μm/pixel。大家可能已经注意到了图片中圆形照亮区域就是纹影反射镜，而两侧的黑色区域是相机芯片中未被照亮的区域。很显然，当前实验并没有完全利用相机芯片的所有像素，但是纹影反射镜囊括的整个视场几乎都被采集到了。

接下来我们考察一下不同焦距镜头对纹影成像的影响。参考图片，随着镜头焦距的增加，图像放大的效果越加明显，芯片的利用率也越来越高。当镜头焦距为50mm的时候，整个画幅都被充满。

镜头焦距增加，图像的空间分辨率也随之增加，通过计算以图线的形式呈现。分辨率的数值越小，说明可以看到更加多的细节。例如，图中的螺纹越来越清晰。所以，如果我们的测试区域比较小的话，可以使用长焦距的镜头，在获得流场细节的同时可以充分利用相机的所有像素。

可能有人要问，是不是可以无限制的放大。答案是否定的，随着焦距的逐渐增大，进入相机的光亮也逐渐减少，纹影图片也会变暗，其实上面四张图片的亮度也是在逐渐变暗的。在我们之前看过的微型超音速射流（点击观看视频）里面，为了显示射流出口的细节，分别用了三个不同焦距的镜头，分别是50mm, 100mm, 200mm。焦距长了，图片亮度的变化就更加显著。

总结

读到最后，想必大家对镜头焦距对纹影成像的影响有了更加直观的了解。那么该如何选择呢？简言之：

• 如果实验需要完整的与反射镜等大的视场，选择焦距较小的镜头。

• 如果实验观察局部流场，则需要选择焦距相对长一点的镜头，这样不但可以显示足够多的细节，而且可以充分利用相机芯片。

结尾，把上面四幅纹影图片放在一起展示一下，效果是不是更加一目了然!