強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下光纖束傳像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

（上海大學(xué) 上海先進(jìn)通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院 特種光纖與光接入網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444）

引言

圖像傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事等各個(gè)領(lǐng)域[1]。在傳統(tǒng)的圖像傳輸系統(tǒng)中，場(chǎng)景信息通過物鏡等光學(xué)成像系統(tǒng)將圖像信息傳輸至電荷耦合器件（CCD）中，通過CCD的光電轉(zhuǎn)換功能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由數(shù)據(jù)傳輸線完成圖像信息的傳輸。傳統(tǒng)的圖像傳輸方式適用于大部分場(chǎng)景，且目前的圖像傳輸技術(shù)較為成熟，能滿足人們的日常需求。

在一些特殊的場(chǎng)景下，比如強(qiáng)電磁干擾、核輻射的環(huán)境中，以及存在大電荷負(fù)載的啟停、變頻機(jī)及高頻機(jī)等設(shè)備中，CCD 等感光器件的光電轉(zhuǎn)換過程會(huì)受到強(qiáng)烈干擾，信號(hào)無(wú)法進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致傳輸?shù)膱D像出現(xiàn)網(wǎng)紋、橫紋及噪點(diǎn)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響傳輸圖像的質(zhì)量[2]。目前主要的應(yīng)對(duì)方法是提前對(duì)圖像傳輸系統(tǒng)所應(yīng)用的場(chǎng)景進(jìn)行分析，設(shè)法避開或遠(yuǎn)離輻射源，從而降低干擾強(qiáng)度。當(dāng)無(wú)法避開輻射源時(shí)，往往會(huì)選擇對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換部件添加屏蔽設(shè)備，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換的過程不受干擾[3]。但添加屏蔽設(shè)備會(huì)造成系統(tǒng)笨重復(fù)雜，且屏蔽效果不佳，總體分析，這些解決辦法都具有一定的局限性，實(shí)用性不強(qiáng)。

目前，由光纖制備而成的光纖束是一種新型圖像傳輸器件，因其纖細(xì)且柔軟的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、軍事及科學(xué)研究等領(lǐng)域[4]。比如，采用光纖束制備的醫(yī)用光纖內(nèi)窺鏡在呼吸道、消化道、泌尿系統(tǒng)等部位的醫(yī)用檢查及各種微創(chuàng)手術(shù)中發(fā)揮著重要的作用[5]。此外，光纖束與傳統(tǒng)圖像傳輸器件不同，它本身不帶電、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、抗電磁干擾、抗輻射性好，特別適合在易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用[6]。

本文針對(duì)強(qiáng)電磁干擾惡劣環(huán)境下高質(zhì)量圖像傳輸?shù)膽?yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一套光纖束傳像系統(tǒng)。首先，對(duì)光纖束傳像機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。接著，采用ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)優(yōu)化出光纖束傳像系統(tǒng)的前置物鏡和后置目鏡。最后，對(duì)選用的核心器件進(jìn)行組裝，搭建了一套光纖束傳像系統(tǒng)，并采用Gamma算法進(jìn)行圖像優(yōu)化處理，獲得了高質(zhì)量的傳輸圖像。

1 光纖束傳像理論

光纖束作為一種圖像傳輸器件，是基于單根光纖的光傳導(dǎo)性，將多根光纖有序地排列在一起，形成具有圖像傳輸功能的光纖束[7]。如圖1（a）所示，通過光學(xué)成像元件將場(chǎng)景信息成像于光纖束的端面上后，圖像信息被分解成與光纖數(shù)目相等的像元，每根光纖獨(dú)立地傳輸一個(gè)像元信息，并在末端重新匯聚成圖像。其中，每根光纖基于其良好的導(dǎo)光性能完成單個(gè)像元信息的傳導(dǎo)，如圖1（b）所示，光以一定的入射角進(jìn)入到光纖束后，在光纖纖芯與包層的交界面處產(chǎn)生全反射，被完整地束縛在光纖中進(jìn)行傳輸[8]。

圖1 光纖束圖像傳輸原理Fig.1 Image transmission principle of fiber bundles

光纖束的實(shí)質(zhì)是單根光纖傳輸一定波長(zhǎng)范圍下的光能，其傳像性能由光纖的數(shù)值孔徑（NA）、傳輸損耗等參數(shù)決定[9]。光纖束的NA與集成它的單根光纖相同，是表征光纖束集光能力的參數(shù)，決定于光纖所能傳輸?shù)淖畲蠼铅萴ax，與光纖的纖芯折射率n1及包層折射率n2相關(guān)，可表示為

在相同的條件下，NA越大，進(jìn)入光纖束的光能量越多，圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量越高。但NA過大，會(huì)導(dǎo)致光纖的色散較大，對(duì)光纖束的傳像性能產(chǎn)生影響，一般NA在0.5 左右[10]。

光纖的傳輸損耗是影響成像質(zhì)量的另一個(gè)重要因素，會(huì)導(dǎo)致所傳圖像的光強(qiáng)變?nèi)?，?dāng)光纖傳輸損耗過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圖像傳輸失敗。

此外，光纖束的分辨率與其內(nèi)部光纖單絲的直徑大小及排列緊密程度密切相關(guān)，光纖單絲直徑越小，排列越緊密，單位面積上光纖單絲的數(shù)目越多，即所成像的像素點(diǎn)數(shù)越多，性能則越高[11]。但光纖單絲直徑過小則會(huì)造成光的束縛能力降低，對(duì)光纖束的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，一般光纖單絲直徑在10 μm 左右，且包層的厚度需大于0.5 μm[12]。

2 光纖束傳像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖束傳像系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由前端成像系統(tǒng)、光纖束和后端圖像接收與處理系統(tǒng)三部分組成。被觀察的場(chǎng)景信息通過前端物鏡匯聚后，成像于光纖束的端面上；場(chǎng)景信息通過光纖束傳輸；在光纖束末端經(jīng)目鏡放大后，再通過光學(xué)卡口透射到CCD的感光面上，圖像信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行后期處理及實(shí)時(shí)顯示，并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。

圖2 光纖束傳像系統(tǒng)Fig.2 Image transmission system of fiber bundles

在光纖束傳像系統(tǒng)中，當(dāng)所使用成像系統(tǒng)的成像面積、NA等參數(shù)與光纖束不匹配時(shí)，其部分圖像信息無(wú)法傳輸至光纖束中，嚴(yán)重影響傳輸圖像的質(zhì)量[13]。因此，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)系統(tǒng)中前置物鏡及后置目鏡進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，使其滿足所使用的光纖束傳輸需求。

2.1 前置物鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所使用的光纖束為日本旭化成公司的產(chǎn)品[14]，主要由13000 根直徑約為15 μm的光纖單絲組成，其中光纖單絲纖芯直徑約為14 μm，纖芯折射率為1.49，包層折射率為1.40，NA為0.5，整個(gè)光纖束端面直徑為2 mm。靜態(tài)環(huán)境下，光纖單絲排列呈正六邊形結(jié)構(gòu)，極限分辨率為38 lp/mm。此外，光纖束在可見光波段處的色散系數(shù)計(jì)算為300 ps/（nm·km）左右[15]，但由于使用的光纖束長(zhǎng)度僅為1 m，所產(chǎn)生的色散小于系統(tǒng)的色散容限，因此其對(duì)傳像系統(tǒng)的整體性能影響較小[16]。根據(jù)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下圖像傳輸?shù)男枨?，結(jié)合光纖束的參數(shù)，將物鏡的工作波段設(shè)為可見光部分，視場(chǎng)角設(shè)為45°，系統(tǒng)的像高設(shè)為1 mm，與光纖束的端面尺寸匹配，系統(tǒng)的焦距設(shè)為1.7 mm，入瞳直徑設(shè)為0.96 mm，NA為0.24，小于光纖束的NA（0.5），滿足光纖束的成像要求，具體參數(shù)如表1所示。

此外，在物鏡成像于光纖束端面時(shí)，一般光學(xué)成像系統(tǒng)光軸及近光軸上的物點(diǎn)所形成的光線角度相對(duì)較小，一般都能滿足光纖束的傳輸條件，而處于遠(yuǎn)離光軸的物點(diǎn)所發(fā)射出的部分光線角度會(huì)超過光纖束的最大入射角，無(wú)法進(jìn)入到光纖束中，造成傳輸圖像可能出現(xiàn)中心部分亮度較高而邊緣部分暗淡的問題。因此，為保證傳像系統(tǒng)輸出為亮度均勻的圖像，選用像方遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)作為前置物鏡的初始結(jié)構(gòu)[17]。像方遠(yuǎn)心光路其孔徑光闌位于物鏡的像方焦面處，出射光束的主光線平行于主光軸，軸上物點(diǎn)以及軸外物點(diǎn)所形成的光束都能夠進(jìn)入到光纖束中。

表1 物鏡主要參數(shù)Table1 Main parameters of objective lens

根據(jù)高質(zhì)量傳輸?shù)男枨螅疚膹默F(xiàn)有的文獻(xiàn)中選用一種由7片透鏡組成的像方遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)，滿足要求[18]。根據(jù)其初始像差的分布情況，利用ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)所選用的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的像差優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，利用垂軸色差（LACL）、軸向色差（AXCL）操作數(shù)控制色差，以及使用軸向球差（LONA）和規(guī)定面處的波球差分布（SPHA）操作數(shù)控制軸向球差，通過調(diào)整系統(tǒng)的變量，反復(fù)優(yōu)化，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最終優(yōu)化后的物鏡參數(shù)如表2所示，光路結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，其主要由3組透鏡相互作用完成成像，LENS1與LENS2組成前置接收組完成對(duì)場(chǎng)景光線信息的接收；LENS3、LENS4 以及LENS5 形成補(bǔ)償組對(duì)前置接收組產(chǎn)生的像差進(jìn)行補(bǔ)償，而LENS6 與LENS7組成后置匯聚組將完整的光線信息匯聚到光纖束的端面上。

圖3（b）為物鏡的MTF曲線，表征著物鏡圖像解析能力，其值越接近于1，系統(tǒng)的解析度越高，圖像的傳輸質(zhì)量越好，由圖可知，其在38 lp/mm 空間頻率處MTF值大于0.85，具有良好的圖像解析能力。圖3（c）是物鏡的色度焦移曲線，表征系統(tǒng)對(duì)不同波長(zhǎng)光的偏移程度，偏移程度越低，圖像的對(duì)比度越高，由圖可知，在可見光波段范圍內(nèi)，物鏡的偏移均在5 μm 內(nèi)，色度偏移較小，圖像對(duì)比度較高。圖3（d）、3（e）、3（f）分別為物鏡在視場(chǎng)角為0°、8°、22.5°處的點(diǎn)列圖，表示為各個(gè)視場(chǎng)下的像差最大值，由圖可知，其最大幾何彌散斑直徑為13.5 μm，小于光纖單絲的直徑，光線能量集中，系統(tǒng)成像質(zhì)量較好，滿足成像要求。圖3（g）、3（h）、3（i）分別為物鏡在0°、8°、22.5°視場(chǎng)角處的綜合誤差曲線，表示光學(xué)系統(tǒng)參照入瞳位置的像差綜合值，由圖可知，該系統(tǒng)在整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的綜合誤差小于6 μm，具有較高的光學(xué)性能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表2 物鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)Table2 Structural parameters of objective lens

圖3 物鏡設(shè)計(jì)仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of objective lens design

2.2 后置目鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在光纖束傳像系統(tǒng)中，目鏡耦合于光纖束的末端，其物面為光纖束的末端端面。因此，所設(shè)計(jì)目鏡的物高需稍大于光纖束的端面直徑，以保證整個(gè)光纖束的端面都在其成像范圍內(nèi)。

根據(jù)選用的光纖束參數(shù)及使用需求，將目鏡的視場(chǎng)角設(shè)為12°，焦距設(shè)為12.5 mm，入瞳直徑設(shè)為1.79 mm，放大倍率為20×，滿足使用要求，具體參數(shù)如表3所示。

表3 目鏡主要參數(shù)Table3 Main parameters of eyepiece lens

通過查閱光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)，本文選用一個(gè)4片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)[19]，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以及優(yōu)化。在對(duì)目鏡進(jìn)行像差優(yōu)化時(shí)，按反向光路計(jì)算像差，將物平面設(shè)定為無(wú)限遠(yuǎn)，目鏡對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)進(jìn)行成像，并在目鏡的焦面上衡量系統(tǒng)的像差。在優(yōu)化過程中，采用面厚度統(tǒng)計(jì)（TTHI）和操作數(shù)不大于（OPGT）兩個(gè)操作數(shù)來控制光闌到第一個(gè)面的距離，以保證其擁有一個(gè)良好的后工作距。此外，通過分析初始像差分布情況，使用SPHA和LONA 來控制系統(tǒng)的球差，以及畸變最大值（DIMX）操作數(shù)控制畸變，并設(shè)置系統(tǒng)的變量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在設(shè)置目鏡系統(tǒng)的參數(shù)變量時(shí)，通過連續(xù)改變每個(gè)結(jié)構(gòu)的參數(shù)并觀察系統(tǒng)的賽德爾函數(shù)的變化，分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)像差影響的大小及方向，從而確定應(yīng)改變哪幾個(gè)參數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化，直至整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最終優(yōu)化后的目鏡參數(shù)如表4所示，光路結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。其中，所使用的玻璃材料從左到右依次為：BAK-1、K5、F2、K5，通過冕牌玻璃與火石玻璃搭配組成三膠合透鏡，是比較好的減少像差的方法。此外，通過在優(yōu)化過程加入的限制，其后工作距保持在10mm 左右，滿足實(shí)際需求。

圖4（b）為目鏡的MTF曲線，對(duì)于接收對(duì)象為人眼的目視光學(xué)系統(tǒng)來說，其所能辨認(rèn)的MTF 閾值為0.3，由圖可知，在空間頻率為120 lp/mm 處，目鏡的MTF值大于0.3，達(dá)到使用要求。圖4（c）為目鏡的色度焦移曲線，由圖可知，其在可見光部分的色度偏移范圍為20 μm 以內(nèi)，滿足使用要求。圖4（d）、4（e）、4（f）分別為目鏡在0°、3°、6°視場(chǎng)角處的點(diǎn)列圖，由圖可知，其最大幾何彌散斑直徑為7.62 μm，小于光纖單絲的直徑，滿足對(duì)光纖束的成像要求。圖4（g）、4（h）、4（i）為目鏡的綜合誤差曲線，由圖可知，其各個(gè)視場(chǎng)內(nèi)的綜合誤差均在3 μm以內(nèi)，整體誤差較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 目鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)Table4 Structural parameters of eyepiece lens

2.3 成像系統(tǒng)加工可行性分析

一個(gè)合理的設(shè)計(jì)必須符合目前的加工工藝和裝調(diào)水平，因此，使用ZEMAX 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的物鏡及目鏡進(jìn)行公差分析，并以此評(píng)判其加工可行性。在對(duì)物鏡及目鏡進(jìn)行公差分析時(shí)，首先需要進(jìn)行公差分配，分配項(xiàng)及各項(xiàng)分配值如表5所示[20]，其中Radius為曲率半徑公差、Thickness為厚度公差、S+Alrreg為表面不規(guī)則度公差、Decenter為偏心公差、Tilt為表面傾斜公差、Index為折射率公差。

通過公差分配數(shù)，并選用后焦距控制像面位置作為補(bǔ)償量，執(zhí)行公差分析，分別得到物鏡的MTF曲線在38 lp/mm 處的概率分布情況，以及目鏡的MTF曲線在120 lp/mm 處的概率分布情況，如表6所示，可以看到，在所設(shè)定的公差范圍內(nèi)，90%以上物鏡的MTF曲線在38 lp/mm 處高于0.864，物鏡的MTF曲線下降量較小，仍保持較高的成像質(zhì)量。90%以上目鏡的MTF曲線在120 lp/mm 處保持在0.36 以上，仍保持較高的光學(xué)特性。因此，根據(jù)目前光學(xué)冷加工的工藝及精度水平，其滿足實(shí)際加工的要求[21]。

圖4 目鏡設(shè)計(jì)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of eyepiece lens design

表5 物鏡及目鏡公差分配表Table5 Tolerance distribution of objective lens and eyepiece lens

表6 MTF 概率分布Table6 Distribution of MTF probability

3 光纖束傳像系統(tǒng)集成及傳像實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步分析光纖束傳像系統(tǒng)的圖像傳輸特性，本文實(shí)際搭建了一套光纖束傳像系統(tǒng)，進(jìn)行傳像實(shí)驗(yàn)，對(duì)傳輸圖像的成像質(zhì)量以及影響因素進(jìn)行分析，并提出解決方案。

為契合所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，本文所使用的光纖束的端面形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，并選用了焦距為2.61 mm、視場(chǎng)角為60°的微型物鏡及焦距為12 mm、放大倍率為20×的目鏡。根據(jù)實(shí)際使用需求，本文選用德國(guó)Basler 公司生產(chǎn)的acA2440-35uc型CCD，此款CCD攝像機(jī)配備Sony IMX 264CMOS芯片，其幀速率達(dá)到35 fps，分辨率達(dá)到500 萬(wàn)像素，滿足使用要求。

圖5 聚合物材質(zhì)光纖束Fig.5 Polymer fiber bundles

根據(jù)所選用部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，利用CREO 機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，對(duì)傳像系統(tǒng)中的耦合部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。前端成像系統(tǒng)耦合部件如圖6（a）所示，其使用卡槽將光纖束固定在一端，并通過標(biāo)準(zhǔn)M12 螺紋接口將前置物鏡固定于另一端，實(shí)際連接圖如圖6（b）所示。后端圖像接收系統(tǒng)耦合部件如圖6（c）所示，首先通過卡槽將光纖束固定于一端，其次使用標(biāo)準(zhǔn)M23 螺紋接口連接目鏡光學(xué)系統(tǒng)，最后通過光學(xué)卡口將CCD 與目鏡進(jìn)行連接。實(shí)際連接圖如圖6（d）所示。

圖6 光纖束傳像系統(tǒng)的搭建Fig.6 Construction of image transmission system with fiber bundles

使用系統(tǒng)進(jìn)行圖像傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸結(jié)果如圖7（a）所示，可以看到，因光纖束的傳輸損耗，輸出圖像的像面較暗，整體顯示效果不佳，需使用軟件處理系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行后期處理。根據(jù)傳輸圖像特點(diǎn)，本文選用Gamma算法對(duì)圖像進(jìn)行亮度補(bǔ)償，其對(duì)圖像中灰度值較高的像素點(diǎn)進(jìn)行壓縮，而對(duì)灰度值較低的像素點(diǎn)進(jìn)行拉伸，整體亮度增強(qiáng)[22]，實(shí)際處理結(jié)果如圖7（b）所示。

圖7 使用Gamma算法提升圖像亮度Fig.7 Improve image brightness by Gamma algorithm

為能客觀評(píng)價(jià)Gamma算法的圖像處理效果，分別計(jì)算出原圖像與處理后圖像的灰度均值，并以此來對(duì)算法的有效性進(jìn)行評(píng)判。計(jì)算結(jié)果如表7所示，可以看到，經(jīng)Gamma 處理后的圖像灰度均值得到較大提高，即圖像像面亮度得到了有效改善。

表7 圖像的灰度均值Table7 Gray average of image

需要指出的是，由于所選用成像部件的參數(shù)未能與設(shè)計(jì)的成像系統(tǒng)參數(shù)完全吻合，系統(tǒng)的傳像效果沒有達(dá)到最優(yōu)。但從所搭建的傳像系統(tǒng)實(shí)際展現(xiàn)的圖像效果來看，初步達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求。按照仿真設(shè)計(jì)結(jié)果來加工成像系統(tǒng)，使光纖束傳像系統(tǒng)效果更佳、更具實(shí)用化，是我們下階段的研究工作重點(diǎn)之一。

4 結(jié)論

通過對(duì)光纖束圖像傳輸技術(shù)的研究與分析，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)出了具有抗強(qiáng)電磁干擾能力的光纖束圖傳像，解決了電磁干擾環(huán)境下的圖像傳輸問題。在系統(tǒng)中，利用ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)出了光纖束傳像系統(tǒng)中前置物鏡和后置目鏡，其中前置物鏡的各視場(chǎng)MTF值在空間頻率為38 lp/mm處大于0.85，而目鏡的各視場(chǎng)MTF值在空間頻率為120 lp/mm 處大于0.3，具有較高的光學(xué)特性，滿足設(shè)計(jì)要求。其次，通過設(shè)計(jì)制備出的耦合器件，本文實(shí)際搭建了一套光纖束傳像系統(tǒng)，并采用Gamma算法提升了圖像的亮度，以減少因光纖束的傳輸損耗對(duì)圖像造成的影響。使用系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行了圖像傳輸測(cè)試，初步達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求。