相机系统中你可能不在意却很重要的组件

镜头与相机之间那一小段空间，往往塞着好几种件：滤光片、分光镜、接圈、滤光片轮、快门、光圈。它们都不参与成像——不放也不影响画面清晰度，但少了它们，很多测量根本做不成。

这些件的共同点是：改变光到达探测器的方式。有的筛掉不要的波长，有的把光分成两路，有的纯粹负责把距离补上。把它们分清楚，配起来才不会重复或互相抵消。

一、为什么中间要插东西

镜头出来的光，未必能直接送到探测器。常见有四种情况需要处理。

一是波长不对：环境光混进来了，或者只需要其中某一段。二是要分给多路：同一束光要同时给两个探测器看。三是距离不够：镜头的接口标准与相机不一致，合不上焦。四是要挡住杂光：光路里的反射与散射会垫高背景。

前两种靠光学件解决，第三种靠机械件，第四种靠光阑与遮光。四类问题的性质不同，选件时容易混淆——比如想减光却买了带通滤光片，颜色就变了。

滤光片按实现原理还可分为两类：吸收型把不要的波长吸收掉变成热，薄膜干涉型靠多层膜的干涉把不要的波长反射回去。前者便宜、对入射角不敏感，但承受功率有限；后者截止陡峭、波段可以做得很窄，却对角度敏感，且功率过高时膜层有损伤风险。

二、滤光片：让哪一段光过去

滤光片的作用可以概括成一句话：只让需要的波长通过。它不改变光路方向，只在光谱上做取舍。

图1：三种常见的透过率曲线

按透过率曲线的形状，常见三种。带通只让中间一段过去，两侧都挡掉，看的是中心波长与带宽。长波通把短波挡掉、长波放过；短波通反过来。这三种都改变颜色，属于波长选择。

另有一类不改变颜色：中性密度片。它在很宽的范围内均匀减光，只为把光强压到合适水平，避免探测器饱和。需要减光又不能改颜色时用它。

还有两个参数常被忽略。一是截止深度，表示挡掉的那部分究竟挡得多干净，通常用光密度的数值表示，数值越大挡得越彻-底。二是入射角：滤光片是按特定角度设计的，斜着放会让透过波段向短波方向移动，光束越发散这个效应越明显。因此滤光片应尽量放在光束接近平行的一段。

分光元件的基底也会带来影响。光在玻璃内部走一段距离，会产生光程差与像散：透射那一路的焦点比反射那一路略有偏移，且两路的光程不相等。做干涉或共焦这类对光程敏感的实验时，要在另一路补一块等厚的补偿片，把光程拉平。

三、分光的两种做法

要把一束光分成两路，有两种元件可选，区别在于按什么分。

图2：分束镜与二向色镜

分束镜按强度分，不看波长。它在四十五度方向上放一片半透半反的膜，一部分光透过去、一部分被反射，两路的光谱组成是一样的。分光比常做成五十比五十，也可以做成七十比三十。需要注意的是，实际的反射与透射比例常随偏振状态变化，若光源偏振不固定，两路的强度比会跟着漂。

二向色镜按波长分：短波被反射，长波透过去，两路的光谱完-全不同。它的效率比分束镜高，因为每一段波长几乎都去了该去的方向，损失很小。典型用法是把激发光与发射信号分开——两者波长不同，用一片二向色镜就能干净地分道扬镳。

选择判据很直接：要按强度分就用分束镜，要按波长分就用二向色镜。两者都对入射角敏感，角度变了，分光比或分界波长都会移动，装好后不要随意改动角度。

还有一种方向相反的需求：要缩短距离。若相机法兰距比镜头要求的长，加接圈就无济于事了——接圈只能加长，不能缩短。这种情况下要么换镜头，要么改用带透镜的转接镜，但后者会改变焦距与像质，属于不得已的方案。因此选镜头与相机时，应优先让相机法兰距不大于镜头的适配值。

四、接口距离不能差

机械连接看似简单，却是最容易出问题的一环。原因在于镜头设计时就假定了一个固定的后焦距——从镜头最后一面到成像面的距离。这个距离错了，就合不上焦。

图3：法兰距与接圈

这个距离由接口标准规定，称为法兰距，指接口端面到探测器靶面的距离。常见的有：C 接口为十七点五二六毫米，CS 接口为十二点五二六毫米，F 接口为四十六点五毫米。

于是换算很直接：镜头与相机的法兰距差多少，就要补多长的接圈。C 口镜头装到 CS 口相机上，差五毫米，加一个五毫米接圈即可；反过来则装不上，因为不能把距离缩短。

还有一点容易忽略：接圈会改变放大率。加上接圈等于延长了像距，成像会变大，同时进光变少、视场变窄。若对尺寸有定量要求，加了接圈之后要重新标定像素当量。

可动件还有一项需要注意：振动与磨损。滤光片轮每次转动都会带来轻微振动，若光路对稳定性要求高，应在切换后等待振动平复再采集；快门反复开合有寿命限制，标称次数通常在几十万到几百万次之间，高频使用时要计入更换周期。

五、要在光路里做切换和门控

有些场合需要在测量过程中改变光路状态，这就要用到可动的件。

图4：滤光片轮、快门与光圈

滤光片轮把多片滤光片装在一个可转动的盘上，转到哪一片就用哪一片，常用于多波段轮流测量。常见六片或十二片，切换时间在几十毫秒到几百毫秒。要留意的是重复定位——每次转到位后位置是否一致，偏差大会让每次测量的光轴略有不同。

快门负责通断，不看波长。分常开与常闭两种，选择取决于断电时希望光路是通还是断。开关时间在几毫秒到几十毫秒。

光圈改变通光孔径。收小可以压掉一部分杂散光、加大景深，代价是进光变少。它通常装在靠近光阑的位置才有效果，装错位置几乎不起作用。

折转还会改变偏振。反射时两个偏振分量的反射率与相位变化都不相同，因此线偏振光经反射后可能变成椭圆偏振，圆偏振的旋向也可能改变。若后续环节对偏振敏感——比如经过偏振分光元件——这个变化必须算进去，必要时要用专门的偏振保持反射镜。

六、用反射镜折转光路

空间不够时，常用反射镜把光路折一个角度。这里有一条固定的几何关系：转角等于入射角的两倍。入射角四十五度，光路就折九十度。

图5：反射镜折转与镜像

折转带来一个必须注意的后果：像会翻转。每经过一次反射，像就左右翻转一次；反射奇数次会翻转，偶数次则还原回原样。若后续要做方向判断或图像比对，这个翻转必须算进去，否则左右会搞反。

另外，反射镜的反射率随波长与偏振变化，金属膜在宽波段上比较平坦，介质膜则在设计的波段内效率很高、波段外迅速下降。折转次数越多，累积的损耗越大，因此能不折就不折。

最后一项容易被忽略：清洁与污染。滤光片、分光镜、反射镜的表面一旦沾上指纹或灰尘，会产生散射、抬高背景，高功率下还可能局部吸热导致膜层损坏。拿取时应戴手套、握住边缘，清洁用专用擦拭纸与溶剂，不要干擦。

七、总结

中间件不改变成像本身，改变的是光以什么方式到达探测器。选件的核心是先分清要解决的是波长、强度、距离还是通断。

要按强度分用分束镜，要按波长分用二向色镜，两者都对入射角敏感。

法兰距差多少就补多长接圈，但加接圈会改变放大率，需重新标定。

反射镜折转会使像左右翻转，奇数次翻转、偶数次还原。

图6：常用成像组件怎么选

还有一项要计入预算：插入损耗。每装一件进去，光都会少一点——滤光片有透过率、分束镜分走一半、反射镜反射率不是100%。器件越多，到达探测器的光越少，在弱光场合这个累积效应会很可观。

需要说明的是，中间件解决的是「让光以合适的方式到达探测器」的问题，它无法弥补镜头与探测器本身的能力不足。镜头分辨不出来的细节，装再多滤光片也不会变清晰；探测器噪声过大，加减光片只会让信噪比更差。这几个环节里任何一处没处理好，组件配得再齐也无济于事。