微 光 成 像 實(shí) 驗(yàn) 平 臺 的 光 路 設(shè) 計(jì)

李 英， 尹麗菊， 申 晉， 寇廷棟， 鄒囯峰， 潘金鳳

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引 言

微光成像技術(shù)是指在微弱照度環(huán)境下，將人眼看不見的目標(biāo)和場景的反射光形成的圖像通過微光成像器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)、處理，顯示為適合人眼觀察的可見光圖像技術(shù)[1]。近年來，隨著科技的發(fā)展，三維集成成像技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)三維場景重建的方法，以其結(jié)構(gòu)簡單、全視差、無需相干光源、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，成為微光成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

典型的集成成像系統(tǒng)采用微透鏡陣列采集三維場景信息，記錄在感光元件上，生成微圖像陣列[2]。袁小聰?shù)萚3]提出相機(jī)陣列代替微透鏡陣列采集三維場景信息；趙敏等[4]提出一種基于雙目立體相機(jī)的實(shí)時(shí)集成成像拍攝系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；何偉基團(tuán)隊(duì)[2]提出一種基于貝葉斯自適應(yīng)估計(jì)方法來提高重構(gòu)質(zhì)量。以上對于集成成像的研究大都是采用電荷耦合器(CCD)等器件對光子進(jìn)行采集，在深海、洞穴深處等極低照度的環(huán)境下，以上探測器件往往達(dá)不到探測要求。多像素光子計(jì)數(shù)器(Multi-pixel Photon Counter,MPPC)能夠?qū)蝹€(gè)光子進(jìn)行響應(yīng)，在極低照度下有良好的光子計(jì)數(shù)能力，可以實(shí)現(xiàn)微光系統(tǒng)在更低照度下的探測成像。

三維成像是在二維成像的基礎(chǔ)上，利用距離傳感器獲取被測目標(biāo)表面與鏡頭之間的距離圖像，從而獲取環(huán)境中的三維信息。所以，搭建二維成像平臺是進(jìn)行三維研究的第1步。尹麗菊課題組[5]以雪崩光電二極管(APD)為探測核心，搭建了微光環(huán)境下的光子計(jì)數(shù)成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；同課題組的仲紅玉等提出了多參數(shù)亮度值重映射的顏色傳遞方法，將灰度圖像賦予彩色[6]；王炫等[7]提出了基于新符號函數(shù)與盲源分離的光子計(jì)數(shù)圖像去噪方法，進(jìn)一步提升圖像質(zhì)量。該課題組的研究皆是基于平面圖片掃描，探測距離局限于mm級別。

本文在該課題組以往二維微光成像研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維集成成像，針對目前集成成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且無法在極低照度下成像的缺陷，提出將MPPC應(yīng)用于三維成像中。該系統(tǒng)將MPPC探測器與光學(xué)成像結(jié)構(gòu)相結(jié)合，對成像系統(tǒng)進(jìn)行光路設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，改善了MPPC探測器成像局限于近距離mm級別的圖像掃描成像的缺陷，將圖像掃描改進(jìn)為實(shí)物物體探測，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在10-4lx及更低光照條件下，目標(biāo)物體的二維成像，也為三維微光重構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在120 cm×80 cm的實(shí)驗(yàn)平臺上展開，以MPPC探測器為核心，結(jié)合光學(xué)成像結(jié)構(gòu)，由掃描機(jī)構(gòu)帶動(dòng)探測器的探頭移動(dòng)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，實(shí)現(xiàn)微光環(huán)境下目標(biāo)物體的二維成像。物體反射光首先由成像結(jié)構(gòu)匯聚在像平面處，在像平面上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的第1次成像，MPPC探測器即可在像平面處對像進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，獲取目標(biāo)二維平面內(nèi)每個(gè)被掃描到的點(diǎn)的光信息，將采集到的光信息轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)由光纖傳輸被計(jì)算機(jī)采集存儲，經(jīng)圖像恢復(fù)技術(shù)還原成二維圖像，即可得到目標(biāo)物體的光子計(jì)數(shù)圖像。

本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于成像結(jié)構(gòu)的光路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)平臺的搭建。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.1 MPPC功能

本系統(tǒng)中，選用的MPPC為日本濱松公司的C11208-150。MPPC的參數(shù)特性如下:有效光敏區(qū)1 mm×1 mm,像素間距50 μm,像素?cái)?shù)400,光譜響應(yīng)范圍320～900 nm,峰值波長450 nm,設(shè)備/器件溫度-10 °C,光子探測效率35%,暗計(jì)數(shù)5～50 kc/s,比較器輸出兼容TTL,比較器閾值水平9級可調(diào)節(jié):0.5～7.5,禁用p.e.,工作溫度+5～+35 °C,存儲溫度-20～+60 °C。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.2 掃描機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)掃描機(jī)構(gòu)選用型號為MTS103的精密電控平移臺，其行程為150 mm，臺面尺寸為90 mm×90 mm，由SC100系列步進(jìn)電機(jī)控制器控制平移臺進(jìn)行移動(dòng)。掃描機(jī)構(gòu)由兩個(gè)平移臺和一個(gè)PFC101型精密光纖耦合器搭建而成，平移臺搭建構(gòu)成掃描系統(tǒng)的X軸和Y軸，光纖耦合器用來固定MPPC探頭，平移臺移動(dòng)帶動(dòng)探頭移動(dòng)，進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖

1.3 光路設(shè)計(jì)

光學(xué)成像結(jié)構(gòu)由多個(gè)透鏡組合而成，相對于單個(gè)透鏡而言，可以校正相差和色差，提高成像質(zhì)量。評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)性能的有效方法之一是調(diào)制傳遞函數(shù)MTF。

計(jì)算MTF的方法是：由光線追跡求出幾何相差，通過點(diǎn)列圖的傅里葉變換求出幾何相差的MTF[8]。其計(jì)算過程如圖3和圖4所示，計(jì)算公式如下。

圖4中式(1)：

H(w)=|H(w)|eiφ(w)或MTF

(1)

式(2)：

(2)

圖3 光線圖

(3)

形成像:

根據(jù)理論計(jì)算公式即可計(jì)算畫出MTF曲線。

圖4 MTF計(jì)算過程框圖

光學(xué)成像結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：視場>20°,入瞳直徑20 mm,物距200 mm

(1) 光學(xué)成像結(jié)構(gòu)焦距。假設(shè)光學(xué)成像系統(tǒng)由k個(gè)面組成，則由k個(gè)面構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)如圖5所示[8]。

圖5k個(gè)面組成的光學(xué)系統(tǒng)

設(shè)透鏡各個(gè)面的焦距為fi，近軸光線的入射高度為hi，整個(gè)系統(tǒng)的總焦距為f，取h1=1，則焦距計(jì)算公式如下[8]:

式中：n為光學(xué)玻璃的折射率；r為曲率半徑；d為玻璃厚度。

光學(xué)結(jié)構(gòu)選取3個(gè)雙膠合透鏡組組成，根據(jù)所選擇玻璃的類型可計(jì)算出焦距的大小。結(jié)合成像結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)焦距的范圍30～85 mm。

(2) 光學(xué)成像結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選取雙膠合透鏡組成的透鏡組，使用雙片透鏡時(shí)，為了滿足消色差和像面平坦化，必須滿足:

(10)

式中：v為光學(xué)玻璃的阿貝常數(shù)，用來比較相對色散；n為折射率。

當(dāng)雙膠合透鏡作為透鏡組的一個(gè)組成部分使用時(shí)，把n1=n2的雙膠合透鏡的總v值定義為等價(jià)v值，滿足:

(11)

對雙膠合透鏡來說，f是一定的，校正像差的自由度僅是r1和玻璃的選擇，即對n和v值的選擇。所以，凸透鏡選用BK7材料，凹透鏡選用SF2材料?；谝陨?，在ZEMAX軟件中選取合適的透鏡結(jié)構(gòu)，然后對光學(xué)成像結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)(如焦距、視場、波長等)設(shè)定，進(jìn)行優(yōu)化。光學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的點(diǎn)列圖、場曲圖、MTF曲線如圖6～8所示。

像面0.000 m

像面14.612 m

像面19.273 m

T-子午場曲;S-弧矢場曲;紅線-波長為656.3 nm的光線;綠線-波長為587.6 nm的光線;藍(lán)線-波長為486.1 nm的光線

圖7 場曲/畸變曲線

紅線-波長為656.3 nm的光線;綠線-波長為587.6 nm的光線;藍(lán)線-波長為486.1 nm的光線;TS-相同傳遞函數(shù)下,子午方向和弧矢方向上空間頻率的差值

圖8 MTF曲線

從圖中可以看出，設(shè)計(jì)的光學(xué)成像結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。但在實(shí)際應(yīng)用中還是存在很大的瑕疵，所以最終選用參數(shù)相同的相機(jī)鏡頭來代替。

2 系統(tǒng)搭建及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)搭建

根據(jù)圖1的系統(tǒng)原理框圖及光路各部分設(shè)計(jì)，搭建光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。在實(shí)驗(yàn)平臺的搭建中，像面位置的尋找、探測器與像面之間的距離選擇是至關(guān)重要的。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)，像面的最佳位置在距離鏡頭8 cm處；探測器與像面的最佳距離是6 mm；在鏡頭與探測器之間加遮光罩，減小光散射的影響。光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖如圖9所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖9 光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖

圖10 光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)搭建好的實(shí)驗(yàn)平臺，對要探測的目標(biāo)物體進(jìn)行掃描。由上位機(jī)軟件控制掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，上位機(jī)軟件界面如圖11所示。掃描完成后，光纖將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，由Matlab軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，恢復(fù)成二維光子計(jì)數(shù)圖像。

圖11 上位機(jī)軟件界面

探測的目標(biāo)實(shí)物圖如圖12和圖13所示。成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14和圖15所示。

圖12 三腳底座

圖13 人物模型

圖14 三腳底座成像結(jié)果

圖15 人物模型成像結(jié)果

3 結(jié) 語

本文提出將MPPC探測器應(yīng)用于三維集成成像中，以MPPC探測器為核心，結(jié)合光學(xué)成像結(jié)構(gòu)，對微光成像系統(tǒng)進(jìn)行了光路設(shè)計(jì)，在120 cm×80 cm的實(shí)驗(yàn)平臺上搭建了一套二維微光成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)與課題組目前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對比來說，改善了MPPC探測器成像局限于近距離mm級別的圖像掃描成像的缺陷，將圖像掃描改進(jìn)為實(shí)物物體探測。對于三維微光集成成像，該系統(tǒng)的光路部分由光學(xué)成像結(jié)構(gòu)和探測器組成，改善了傳統(tǒng)集成成像系統(tǒng)無法在極低照度下成像的缺陷，實(shí)現(xiàn)極低照度下的目標(biāo)成像。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)10-4lx以及更低照度的環(huán)境下，40 cm距離的目標(biāo)物體的二維成像，同時(shí)為三維微光集成成像的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。