近年來，隨著紅外探測(cè)器技術(shù)及其加工工藝的發(fā)展與完善，紅外光學(xué)系統(tǒng)在機(jī)器視覺領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，可見光和短波紅外是目前較為常用的光電成像波段。短波紅外主要來自于地物目標(biāo)反射環(huán)境中的紅外輻射，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，兼具隱蔽性好、不受光照條件限制的優(yōu)點(diǎn)。但紅外成像系統(tǒng)存在空間分辨率低、對(duì)比度弱、立體感差和信噪比低的缺點(diǎn)。因此，在光照條件差的情況下利用紅外光成像實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)，彌補(bǔ)可見光在差光照條件下的缺陷；在光照條件好的情況下利用可見光成像實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高分辨率觀測(cè)，同時(shí)利用紅外光獲取目標(biāo)更詳細(xì)的信息。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，南通大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京華群光電技術(shù)有限公司和中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“寬光譜可見-短波紅外成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為主題的文章。該文章第一作者為南通大學(xué)宣斌副研究員，主要從事精密光學(xué)加工和檢測(cè)的研究工作；通訊作者為中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所王亞軍副研究員，主要從事圖書情報(bào)的研究工作。

本文結(jié)合機(jī)器視覺工程應(yīng)用需要，使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX設(shè)計(jì)了一種寬光譜可見-短波紅外成像光學(xué)系統(tǒng)。

光學(xué)系統(tǒng)選型

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇與該系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景密切相關(guān)，在機(jī)器視覺領(lǐng)域中，短波紅外波段的成像系統(tǒng)往往具有大視場(chǎng)、小畸變和成像質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)。合理地選擇光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。常用的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分折射系統(tǒng)、反射系統(tǒng)、混合系統(tǒng)三類，不同的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣。

（1）折射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。折射式系統(tǒng)通過透過光經(jīng)折射后進(jìn)行觀察，是光學(xué)結(jié)構(gòu)選型中較為廣泛使用的形式。按照常規(guī)的加工、裝調(diào)手段即可達(dá)到精度的要求，具有像質(zhì)穩(wěn)定、雜光小、元件透過率高的特點(diǎn)。但折射式系統(tǒng)容易產(chǎn)生像差，在可用于寬譜段下的透射材料種類相對(duì)有限。典型的折射式光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 折射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。反射式系統(tǒng)通過反射附件，用反射光來觀察，廣泛應(yīng)用于紅外熱成像領(lǐng)域中。具有無色差、工作波段寬、易于實(shí)現(xiàn)無熱化等特點(diǎn)。但反射結(jié)構(gòu)增加了光學(xué)系統(tǒng)體積，同軸反射系統(tǒng)的中心遮攔造成了光通量的損失，降低了系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)和信噪比；離軸反射系統(tǒng)解決了遮攔問題，但給系統(tǒng)裝調(diào)造成困難。典型的兩種反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 反射式光學(xué)系統(tǒng)示意圖

（3）折反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。折反射式光學(xué)系統(tǒng)是將折射式和反射式的特點(diǎn)相結(jié)合設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程的需要。綜合了不同光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，能夠降低光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和像差校正的難度。但其中非球面的反射鏡加工難度大，成本高，穩(wěn)定性差，而且非球面和衍射元件的精細(xì)結(jié)構(gòu)增加了相機(jī)加工裝調(diào)的難度。典型的折反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 折反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜上所述，針對(duì)文中的寬光譜可見-短波紅外成像光學(xué)系統(tǒng)作為機(jī)器視覺檢測(cè)的工業(yè)鏡頭，應(yīng)盡量滿足輕量化和大視場(chǎng)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還要保持較高的光通量。反射式結(jié)構(gòu)的軸外像差校正困難，視場(chǎng)難以做大；折反式結(jié)構(gòu)次鏡形成中心遮攔，并隨著視場(chǎng)和相對(duì)孔徑的增大，遮攔比迅速增加，使成像對(duì)比度、分辨率及探測(cè)能力下降。無論是考慮成像性能還是性價(jià)比，折射式系統(tǒng)都是本例大視場(chǎng)、低畸變、結(jié)構(gòu)緊湊的理想選擇。

非球面面型參數(shù)的求解

非球面光學(xué)元件是指面形由多項(xiàng)高次方程決定、面形上各點(diǎn)的半徑均不相同的光學(xué)元件。雖然非球面的加工制造比較困難，但具有明顯的消除單色像差的效果，在機(jī)器視覺檢測(cè)的工業(yè)鏡頭中也應(yīng)用的越來越廣泛。非球面與球面相比有很大的優(yōu)勢(shì)：非球面可以提高系統(tǒng)的相對(duì)口徑比，擴(kuò)大視場(chǎng)角，在提高光束質(zhì)量的同時(shí)透鏡數(shù)比球面構(gòu)成的少，鏡頭的形狀小型化，可減輕系統(tǒng)質(zhì)量等。

系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

鏡頭總體設(shè)計(jì)指標(biāo)及初始結(jié)構(gòu)確定

一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般分為以下幾步：（1）確定光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；（2）利用PW方法求解初始結(jié)構(gòu)參數(shù)或選擇已有相應(yīng)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)；（3）像差校正；（4）像質(zhì)評(píng)價(jià)；（5）確定各光學(xué)元件的公差；（6）繪制光學(xué)系統(tǒng)圖和光學(xué)組件零件圖。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況，寬光譜可見-短波紅外成像光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮的參數(shù)有：透鏡材料、工作波段、焦距、F數(shù)、視場(chǎng)角、系統(tǒng)總長(zhǎng)等。通過對(duì)寬譜段紅外成像系統(tǒng)參數(shù)的分析，最終光學(xué)系統(tǒng)選擇折射式結(jié)構(gòu)，采用分辨率為2448 pixel×2048 pixel的CMOS面陣探測(cè)器，像元大小為3.45 μm，靶面尺寸為2/3 in（1 in=2.54 cm），鏡頭在0~50 ℃工作溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的光學(xué)性能和良好的成像質(zhì)量。光學(xué)系統(tǒng)性能參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)性能參數(shù)

一個(gè)良好的初始結(jié)構(gòu)能夠使像差在校正過程迅速收斂，光學(xué)設(shè)計(jì)中第一個(gè)關(guān)鍵步驟就是如何選擇合適的初始結(jié)構(gòu)，如果已知光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息，則可以通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光線追跡、計(jì)算像差和成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單時(shí)，根據(jù)相關(guān)的初始系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用賽德爾像差理論建立像差平衡方程和PW法來求解初始結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中內(nèi)置了大量的光學(xué)系統(tǒng)模型，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，根據(jù)焦距、相對(duì)孔徑等參數(shù)就可以對(duì)比出與初始系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)相近的初始結(jié)構(gòu)，此次設(shè)計(jì)查詢了相關(guān)專利，采用第二種方法來確定系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。

像差校正及優(yōu)化評(píng)價(jià)

系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)確定后，最終得到成像性能好的系統(tǒng)，需要經(jīng)過后續(xù)反復(fù)像差校正過程，同時(shí)也需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程如下。

根據(jù)表1給出的光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過改變鏡頭諸面的面型參數(shù)改變透鏡的厚度及透鏡之間的間隔，通過更換透鏡材料來使得鏡頭的像差逐步減小。在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX中設(shè)置透鏡的曲率半徑和厚度、系統(tǒng)焦距和長(zhǎng)度、透鏡間距等參數(shù)為變量，采用ZEMAX默認(rèn)的優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)，只添加一階光學(xué)參數(shù)限制，采用變量從少到多、階數(shù)從低到高的方式漸進(jìn)優(yōu)化。在每一步優(yōu)化完成后，觀察每次優(yōu)化后系統(tǒng)各類像差的變化情況，增加對(duì)系統(tǒng)成像性能貢獻(xiàn)較大像差項(xiàng)操作數(shù)的權(quán)重系數(shù)，對(duì)其有針對(duì)性地優(yōu)化，判斷是否需要繼續(xù)增加優(yōu)化變量，最終設(shè)計(jì)出滿足系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的光學(xué)系統(tǒng)。

優(yōu)化完成后的寬光譜可見-短波紅外成像光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)可對(duì)可見光和短波紅外波段進(jìn)行成像，采用7組共10片透鏡，光闌位于第4片透鏡的后表面，第10片透鏡的前表面采用非球面。系統(tǒng)總長(zhǎng)為79.6 mm，入瞳直徑為9.9 mm，F(xiàn)數(shù)為2.8。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5所示為寬光譜可見-短波紅外成像系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，從圖中可以看出，RMS半徑最大為5.623 μm，GEO半徑最大為26.431 μm。點(diǎn)列圖中的彌散斑半徑越小，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好。5個(gè)視場(chǎng)的點(diǎn)列圖都很接近艾里斑，接近衍射極限，滿足成像要求。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖6所示為寬光譜可見-短波紅外成像系統(tǒng)的調(diào)制函數(shù)曲線，光學(xué)傳遞函數(shù)是目前被公認(rèn)的最能充分反映系統(tǒng)實(shí)際成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在奈奎斯特頻率100 lp/mm時(shí)，各視場(chǎng)的MTF值均高于0.4，接近衍射極限，成像質(zhì)量良好。

圖6 調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

圖7所示為寬光譜可見-短波紅外成像系統(tǒng)的像散、場(chǎng)曲和畸變曲線。從圖中可以看出，其最大像散和場(chǎng)曲為0.1 mm，最大畸變?yōu)?.4%，數(shù)值非常小，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)場(chǎng)曲和畸變的要求。

圖7 像散、場(chǎng)曲及畸變曲線

可行性分析

公差分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后需要對(duì)其進(jìn)行公差分析，把實(shí)際加工、裝調(diào)時(shí)所產(chǎn)生的相關(guān)誤差考慮進(jìn)去，給予一定的公差分量。在該系統(tǒng)的公差分析過程中，需要給所有光學(xué)元件分配合理的公差，使光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能達(dá)到要求，并使光學(xué)元件的成本、裝配和校準(zhǔn)的成本達(dá)到最低，從而使整個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。

按照經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際工藝水平，先給出較為寬松的各參量公差預(yù)定值，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行公差分析，找出特別敏感的公差，對(duì)其進(jìn)行重新分配。圖8所示為預(yù)設(shè)公差值。

圖8 預(yù)設(shè)公差值

以衍射MTF平均為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)的公差分析，圖9為進(jìn)行100次蒙特卡洛分析的MTF曲線圖，表2為進(jìn)行公差優(yōu)化后的蒙特卡洛分析結(jié)果。分析表明：在100 lp/mm時(shí)，MTF的名義值為0.559，最佳0.554，最差0.333，平均0.481，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.052；90%的鏡頭MTF≥0.410，50%的鏡頭MTF≥0.427，10%的鏡頭MTF≥0.540。由此可以看出，MTF在所給公差下滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖9 蒙特卡洛分析MTF曲線圖

表2 蒙特卡洛分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)論證

在實(shí)際檢測(cè)過程中，整個(gè)系統(tǒng)由光源、鏡頭、相機(jī)、圖像處理單元、圖像處理軟件和輸出單元等組成。為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的成像性能，經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)室的成像觀察對(duì)比如圖10所示。第一幅對(duì)比：圖10（b1）是農(nóng)產(chǎn)品通過可見光波段的相機(jī)拍攝的效果，圖10（a1）是在短波紅外相機(jī)下的效果，農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部的瘀傷能被短波紅外穿透表皮探測(cè)到，而這在人眼是看不到的。這是由于當(dāng)水果在碰傷時(shí)細(xì)胞壁會(huì)破裂，該區(qū)域的水分含量更高，瘀傷中的水幾乎都是黑色的，因?yàn)樗?450~1900 nm都有很強(qiáng)的吸附性，這種吸附性使得通過SWIR成像能在成像的物體圖像中清晰看到瘀傷。第二幅對(duì)比：圖10（b2）是在可見波長(zhǎng)上不透明的塑料，圖10（a2）是在SWIR范圍內(nèi)變成半透明的塑料，SWIR這種光穿透塑料的能力為檢測(cè)密封塑料容器內(nèi)的產(chǎn)品體積提供了新的方法。

圖10 短波紅外-可見光成像對(duì)比圖

結(jié)論

隨著機(jī)器視覺對(duì)復(fù)合圖像信息需求的增長(zhǎng)，現(xiàn)代光學(xué)成像技術(shù)必然向可見光近紅外波段之外擴(kuò)展，短波紅外因其媲美可見光的分辨率和獨(dú)特的光學(xué)性能在未來將得到更加廣泛的應(yīng)用。文中設(shè)計(jì)了一種能夠在0.4~1.7 μm波段下工作的寬光譜可見-短波紅外成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由7組10片透鏡組成，調(diào)制傳遞函數(shù)值在奈奎斯特頻率100 lp/mm處均大于0.4，系統(tǒng)F數(shù)為2.8，畸變小于1.4%，各種像差都得到了較好的校正和平衡，具有較好的成像性能。所討論的方法對(duì)今后設(shè)計(jì)類似的光學(xué)系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

編輯：黃飛

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