成像微光度計光學設計與實現中幾個問題的探討

　 在紅外靜態技術參數測試系統研制過程中，利用Mintron MS-2821C面陣CCD圖像傳感器作為主要部件可構建成像微光度計測量采集系統。雖然已經有關于面陣CCD圖像傳感器的光學系統設計的報道[1]，但由于成像微光度計的測量環境和測試對象的特殊性，常規CCD光學鏡頭不能直接用于光度計，需要按照光學系統的設計原則并結合成像微光度計的用途進行相應設計和計算。本文從成像微光度計的功能入手，分析了光學系統的設計原則并確定了參數，最后對光學系統構建中的相關問題進行探討。

二、成像微光度計的功能結構及測試原理

　 成像微光度計是紅外靜態技術參數測試系統的主要數據錄取設備之一，是基于計算機技術和數字圖像處理技術的光機電一體數據采集處理系統（其組成框圖見圖1），其主要作用是配合紅外靜態參數測試系統的其它分系統，在對紅外熱成像系統的參數測試中進行圖像采集。

　被測試紅外熱成像系統在顯示器上所成的圖像經過成像微光度計光學系統在CCD光敏面上成像，接著經過光電轉換、量化、轉移、讀出后，通過視頻采集卡以模擬視頻信號在計算機上輸出。計算機可對標校系統、亮度調節系統進行控制，達到整體測試要求的條件后，測量系統同步采集數據并處理、計算后得到的測試數據。

　光學系統是進行圖像采集和數據處理的前端，光學部件的性能參數直接決定整體系統測試數據采集的精度。進行科學的光學設計和選擇合適的光學部件是進行高精度測量的前提。

三、對光學系統的設計原則和依據

　成像微光度計的光學系統（光學信號接收系統）包括成像物鏡鏡頭、光圈、視覺校正器、減光器等。對光學系統的設計就是在滿足總系統對成像微光度計的基本功能要求前提下，對光學系統進行參數設計和計算，使之達到工程要求。設計的主要原則和依據有：

(1) 各參數測試中的測量條件和參數測試精度要求；

(2) CCD接收光能性能的要求，其中包括成像特性的要求，即在一定相對孔徑和給定視場下能理想的成像；

(3) 被測量對象的空間尺寸特性、物像共軛距離的要求，即根據測試條件確定成像范圍；

(4) 系統分辨率要求，即系統能分辨光信號在空間、時間信號方面的細致程度。

四、成像微光度計光學參數分析和確定

　 由于成像微光度計在應用中需要進行有關尺寸的參數測量和計算，因此在系統結構上采取物方遠心光路，光學系統設計簡圖如圖2。

　這里分析以下基本參數和光學設計中的參數確定的依據。

1、像方焦距

　像方焦距f′的確定是光學系統設計的基本前提，設計時需要考慮光路的組成、光路布置以及中性濾光片、視覺校正片、鏡頭的實際設計和加工制作工藝。

2、放大率

光學系統放大率計算公式為：

b=y′/y （1）

式中，y′?DCCD像面上成的像的大小；

y?D屏幕發光面的物的大小。

光度計放大率的確定跟被測屏幕的測量區域和CCD光敏面的空間尺寸、CCD的分辨率、要求的光度計系統的分辨率等因素密切相關。

根據GJB2340-95（《軍用熱像儀通用規范》）中對熱像儀畸變和均勻性測量要求，將被測量熒光屏分為至少5個區域，以9??～15??顯示器為例并考慮一定余量，將滿屏的1/6作為視場測量區域，這樣根據CCD光敏面的尺寸確定放大率的數值。

3、分辨率

設計中考慮了選用的CCD的極限分辨率。CCD的原分辨率主要取決于單位面積CCD像素數目和信號傳輸效率的影響，即CCD的單位光敏元（像元）尺寸wh×wv決定成像微光度計系統的極限分辨率。面陣CCD是離散采樣器件，為保證所采集 LSF數據能被復原，采樣點數理論最高空間頻率極限f0滿足奈奎斯特采樣定理：

2f0=1/Dx （2）

式中，Dx?D空間采樣間距。

為了保證信號質量，取采樣信號的頻率為被測信號頻率的2倍， 實際中按CCD 的空間頻率的5到10倍來取 采樣信號，以確保采樣不受混疊的影響，同時按照面陣探測器水平和垂直瞬時視場IFOV的倒數的二分之一大小來取分辨率：

N=1/(2w)（p/mm） （3）

在水平和垂直方向的角分辨率為[4]： （mrad） （4）

（mrad） （5）

式中，f′?D系統像方焦距；

Dx、Dy?DCCD光敏面單個接收像元的尺寸。

考慮光學系統對系統分辨率的貢獻，成像微光度計系統總的分辨率有：

（6）

式中，Nopt?D光學系統的分辨率；

NCCD?DCCD的極限分辨率。

考慮實際工程實現的難度，NCCD選取平常值的2～3倍。

4、相對孔徑D/f′

此參數根據光學系統中對光能的要求和對細節的分辨能力的要求來確定，此外還需要考慮視場中分辨率、畸變、景深、像質等要求。

攝影物鏡的分辨率由衍射極限和瑞利準則定義，理想分辨率s和物鏡的相對孔徑D/f′關系 [4]為：

（7）

式中，l?D入射光波長，l=555nm；

n?D折射率。

這樣，在CCD像面上的光照度有[5]：

（8）

式中，E?DCCD像面上的光照度；

t1、t1?D光學系統透過率；

w?D視場角；

S1?D被測熒光屏面積；

S2?DCCD靶面成像面積。

　在本紅外靜態參數測試系統中，成像微光度計基本的測試對象是紅外熱像儀的顯示器，因此亮度變化較小，測試過程中主要以暗背景環境為主，設計中采用大通光孔徑鏡頭。另外，考慮到測試熱像儀調制傳遞函數（MTF）的需要，以中性濾光片轉換作為光度衰減和調節手段，不采取變換光圈的方法。

5、視場

　視場參數的設計中綜合考慮了視場中光照度均勻性要求、畸變、像差等方面的影響。

基于面陣CCD光敏面的視場大小和放大率因素，按照如下公式計算：

（9）

（10）

　 式中，a、b?D面陣CCD光敏面的尺寸；

2wx、2wy?Dx、y方向的視場角。

　 考慮像面照度均勻性要求，視場軸外照度E′和視場中心照度E的比值為[5]：

（11）

　 在系統設計中要求視場邊緣與中心照度的偏差小于2%，則w小于5°即2w小于10°

五、光學系統設計的條件和參數測試結果

1、光學系統設計的基本前提條件

物距：200mm～400mm；

面陣CCD有效像素數：752(水平)×582(垂直)；

像素尺寸：8.6mm×8.3mm；

最小照度：0.02 lx；

面陣CCD光敏面尺寸：6.4mm×4.8mm。

2、實際參數測試結果：

畸變：小于0.6%；

調焦范圍：大于30mm；

鏡頭分辨率：大于110lp/mm。

六、結束語

　 在光學系統設計中，由于系統性能和制作工藝等方面的影響，各個基本參數都是相互制約的。通過整體設計，可使得各個光學部件在性能上能夠相互配合；選擇合適的光學結構參數和光學元器件，可以使預定的技術要求在最大限度上得以實現。

　面陣CCD已經越來越多的應用到光電測試和圖象采集的各個領域，我們相信，通過對基于面陣CCD的成像微光度計光學系統的分析和設計，本文將會對面陣CCD在其它領域的設計和應用提供有益的幫助。