（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

高動(dòng)態(tài)范圍的圖像可用于同時(shí)探測(cè)具有較大對(duì)比度的亮暗目標(biāo)，利用數(shù)字微鏡（DMD）獲取高動(dòng)態(tài)范圍圖像是目前最為先進(jìn)的一種技術(shù)。本文在分析DMD工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種像素級(jí)的高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、DMD像素級(jí)調(diào)光算法及成像單元組成。光學(xué)系統(tǒng)采用二次成像光路，其中第一次成像物鏡采用像方遠(yuǎn)心光路，第二次成像的轉(zhuǎn)置鏡頭采用放大倍率近似1∶1的準(zhǔn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，機(jī)械系統(tǒng)采用光學(xué)元件的包邊設(shè)計(jì)和定心車工藝，達(dá)到秒級(jí)的光學(xué)裝配精度；DMD像素級(jí)調(diào)光算法采用搜索單個(gè)微鏡像素在圖像幀周期間的控制權(quán)值實(shí)現(xiàn)，成像單元可同時(shí)兼顧科學(xué)級(jí)12 bit sCMOS和8 bit CCD，設(shè)計(jì)完成的原理樣機(jī)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，其獲取的圖像動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)140dB以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)攝像機(jī)78dB的動(dòng)態(tài)范圍。

成像系統(tǒng)；高動(dòng)態(tài)范圍圖像；數(shù)字微鏡器件；調(diào)光

1 引言

自然界中，由于光照、環(huán)境等因素的影響，一般會(huì)形成動(dòng)態(tài)范圍很大的自然場景，即同時(shí)存在極亮的目標(biāo)和極暗的目標(biāo)。由于人眼的光強(qiáng)感知能量范圍最大可達(dá)200dB，因此人眼可以輕松的獲取圖像，而對(duì)于廣泛使用的圖像傳感器，如CCD、CMOS器件，其動(dòng)態(tài)范圍僅可達(dá)78dB［1］，因此在使用這些圖像傳感器獲取這種高動(dòng)態(tài)范圍的圖像時(shí)，效果往往不甚理想。

為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍圖像的獲取，通常采用基于時(shí)間序列圖像合成的方法，該方法通過連續(xù)獲取多幀不同積分時(shí)間的圖像［2-4］，經(jīng)“后期”圖像融合實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍圖像的獲取，該方法相對(duì)簡單，可應(yīng)用于靜態(tài)圖像的獲取，但這種“事后處理”的方式仍無法滿足實(shí)時(shí)成像探測(cè)的需求［5-6］。

數(shù)字微鏡（DMD）作為一種光強(qiáng)調(diào)制器件，具有高光效、高可靠性、精確的光強(qiáng)調(diào)節(jié)等級(jí)等優(yōu)點(diǎn)［7-8］，在紅外場景生成技術(shù)［9］、三維成像領(lǐng)域［10］和光柵曝光照明領(lǐng)域［11］都有重要應(yīng)用。文獻(xiàn)［1］對(duì)采用DMD實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍圖像的獲取技術(shù)進(jìn)行了理論介紹，指出利用DMD獲取高動(dòng)態(tài)范圍圖像的技術(shù)是目前最先進(jìn)、實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜的一種方式。國外在DMD應(yīng)用方面也進(jìn)行了大量研究［12-14］，美國Shree K.Nayar等人使用分辨率為800 pixel×600 pixel的DMD和8 bit的分辨率為640 pixel×480 pixel的CCD，并采用DMD分區(qū)域調(diào)光的方式獲得了一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像［15］。H.D.Zhang等人采用DMD“Discovery 1100 and 4100”獲得了加速器的束暈像，完成的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)107以上［16］。B.C.Riddick等人使用DMD“Discovery 1100”和像素?cái)?shù)為765 pixel×510 pixel的CCD以及一片分光鏡獲取了光陰極的量子效率圖［17］，國內(nèi)研究人員在DMD方面也開展了相關(guān)的研究工作［18-20］。

本文利用TI公司生產(chǎn)的DMD設(shè)計(jì)了一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像的獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、DMD像素級(jí)調(diào)光算法及成像單元組成。本文對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，設(shè)計(jì)完成的原理樣機(jī)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)130dB，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性。

2 高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)

2.1 DMD工作原理

DMD由上百萬個(gè)正方形微小反射鏡組成，各個(gè)微小反射鏡可單獨(dú)尋址，具有“開態(tài)”和“閉態(tài)”，對(duì)應(yīng)“ON”和“OFF”狀態(tài)。本文采用的DMD其“ON”狀態(tài)對(duì)應(yīng)的微小反射鏡旋轉(zhuǎn)+12°，入射光線可進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，其“OFF”狀態(tài)對(duì)應(yīng)的微小反射鏡旋轉(zhuǎn)-12°，入射光線不再進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，而是進(jìn)入吸收裝置。本文設(shè)計(jì)采用的DMD為DLP 7000，尺寸為14mm×10.5mm，對(duì)應(yīng)的微鏡像元數(shù)量為1 024pixel×768pixel，像元間距為13.68μm，其旋轉(zhuǎn)軸為微鏡的對(duì)角線，旋轉(zhuǎn)示意如圖1所示。

圖1 DMD繞對(duì)角線旋轉(zhuǎn)Fig.1 Rotation of DMD diagonal

DMD最高擺動(dòng)頻率達(dá)20 000 Hz，當(dāng)選用CMOS圖像傳感器時(shí)，可以對(duì)明暗目標(biāo)亮度差為1 700萬倍的目標(biāo)同時(shí)成像和探測(cè)［5］。

2.2 高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)

為了獲取高動(dòng)態(tài)范圍的圖像，將光強(qiáng)調(diào)制器件DMD置于成像物鏡的像面上，實(shí)現(xiàn)將場景目標(biāo)經(jīng)成像物鏡成像在DMD上，然后通過轉(zhuǎn)置鏡頭將DMD光強(qiáng)調(diào)制后的圖像再次二次成像于成像單元即圖像傳感器（CCD/CMOS）上，從而獲得高動(dòng)態(tài)范圍的場景目標(biāo)圖像，DMD的光強(qiáng)調(diào)制方式通過調(diào)光算法實(shí)現(xiàn)，無用的光線會(huì)進(jìn)入光強(qiáng)吸收裝置，系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的工作原理示意圖Fig.2 Principle schematic of the system

由于DMD旋轉(zhuǎn)軸為對(duì)角線，且穩(wěn)定的“開關(guān)”狀態(tài)位于±12°方向，因此轉(zhuǎn)置鏡頭及光強(qiáng)吸收裝置將位于±24°的方向，且兩者的連線垂直于DMD旋轉(zhuǎn)軸，由于空間的限制，當(dāng)在±24°方向無法布置轉(zhuǎn)置鏡頭或光強(qiáng)吸收裝置時(shí)，則需考慮在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾诱坜D(zhuǎn)反射鏡［5，7］。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)涉及兩組光學(xué)系統(tǒng)，一組為成像物鏡光學(xué)系統(tǒng)，另一組為轉(zhuǎn)置鏡頭光學(xué)系統(tǒng)，兩組鏡頭在DMD所在位置耦合。系統(tǒng)要求DMD的像素點(diǎn)與圖像傳感器的像素點(diǎn)之間一一對(duì)應(yīng)，因此要求光學(xué)系統(tǒng)的MTF≥0.5。

為達(dá)到MTF的要求并保證兩組光學(xué)系統(tǒng)的光瞳重合，對(duì)成像物鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用像方遠(yuǎn)心光路。若成像單元選用對(duì)角線尺寸16.64mm，像素大小為13μm的CMOS圖像傳感器，則轉(zhuǎn)置鏡頭為物像放大倍率近似1∶1的光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用準(zhǔn)對(duì)稱型的光學(xué)結(jié)構(gòu)，由于光學(xué)系統(tǒng)離軸，成像單元所在的像面會(huì)有一定的偏角，圖3為設(shè)計(jì)完成的光學(xué)系統(tǒng)，圖4為設(shè)計(jì)完成的光學(xué)系統(tǒng)傳函函數(shù)曲線圖。

成像單元組件由圖像傳感器及其支撐結(jié)構(gòu)組成，支撐結(jié)構(gòu)兼顧C(jī)CD和sCMOS兩種圖像傳感器，且為便于裝調(diào)，在支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了腰槽孔，同時(shí)前端與轉(zhuǎn)置鏡頭采用H7/g6的最小間隙配合。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of the optical structure

圖4 傳遞函數(shù)曲線圖Fig.4 Curves of MTF

圖5 成像物鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.5 Mechanical structure of the imaging objective lens

高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于成像物鏡的光學(xué)系統(tǒng)要求達(dá)到秒級(jí)的裝配精度，因此設(shè)計(jì)采用高精度的光學(xué)元件固定方法即光學(xué)件包邊和定心車工藝，同時(shí)每個(gè)光學(xué)件的機(jī)械殼體在進(jìn)行定心車時(shí)，采用同一個(gè)尺寸的螺紋胎進(jìn)行定心車削，如圖5所示，6個(gè)光學(xué)元件均通過包邊固定在機(jī)械殼體中包邊后的組合件預(yù)留單邊0.5mm的定心車加工量，同時(shí)為保證定心車時(shí)的軸線不變，在每個(gè)機(jī)械殼體上都設(shè)計(jì)了相同的內(nèi)螺紋胎，定心車時(shí)只需在定心車床上裝卡一次外螺紋胎即可實(shí)現(xiàn)6個(gè)組合件直徑和端面的精加工。

4 DMD像素級(jí)調(diào)光算法

DMD調(diào)光算法可以有效調(diào)節(jié)單個(gè)微鏡在“開關(guān)”狀態(tài)的時(shí)間長短，實(shí)現(xiàn)對(duì)成像單元中圖像傳感器對(duì)應(yīng)的單個(gè)像素點(diǎn)不同程度的光強(qiáng)調(diào)節(jié)，將光子數(shù)的區(qū)域和光子數(shù)飽和的區(qū)域同時(shí)調(diào)節(jié)至圖像傳感器的最佳響應(yīng)區(qū)域。

圖6 DMD掩膜示意圖Fig.6 Schematic of DMD masks

DMD調(diào)光通過控制一個(gè)權(quán)值實(shí)現(xiàn)，該權(quán)值為兩幀圖像之間平均的二進(jìn)制值，如圖6所示。若某時(shí)刻成像單元（CMOS/CCD）獲取的圖像為M，該圖像可作為DMD的母掩膜，該圖像有n幀子掩膜圖像mi組成，mi中的二進(jìn)制數(shù)0和1代表單個(gè)微鏡的兩種狀態(tài)，mi的作用時(shí)間為ti，T為母掩膜周期即圖像傳感器的幀周期，則DMD單個(gè)微鏡（x，y）處的權(quán)值r（x，y）可表示如下：

式中：pi（x，y）為子掩膜mi中坐標(biāo)（x，y）處的二進(jìn)制值。此時(shí)，圖像傳感器坐標(biāo)（x，y）處的像素灰度值E（x，y）如下：

式中：L（x，y）為圖像傳感器（x，y）處獲得的場景目標(biāo)灰度值，r（x，y）為DMD在（x，y）處的光強(qiáng)調(diào)節(jié)權(quán)值，δ（x，y）為其他影響因子，可認(rèn)為常數(shù)。E（x，y）的收斂值應(yīng)當(dāng)小于圖像傳感器的飽和值，r（x，y）的收斂速度決定著E（x，y）的收斂速度，我們?cè)O(shè)計(jì)采用試探搜索的方法確定r（x，y）［7］。

5 實(shí)驗(yàn)與討論

圖7為高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)的原理樣機(jī)，該原理樣機(jī)可放置在桌面上，主要由主殼體、成像物鏡、轉(zhuǎn)置鏡頭和光強(qiáng)吸收裝置等組成。

圖7 高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)原理樣機(jī)Fig.7 Prototype of the high dynamic range image obtaining system

為驗(yàn)證高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)的正確性，本文進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，其中成像單元采用的圖像處理器為科學(xué)級(jí)sCMOS，像元數(shù)2 048 pixel×1 536 pixel，分別對(duì)明暗亮度相差較大的射燈目標(biāo)和高亮度的激光進(jìn)行了拍照實(shí)驗(yàn)。

圖8（a）為DMD未調(diào)光時(shí)圖像傳感器獲取的射燈圖像，圖8（b）為DMD調(diào)光后圖像傳感器獲取的射燈圖像，圖8（c）為權(quán)值搜索收斂時(shí)DMD的掩膜圖像，圖8（d）為圖8（b）和圖8（c）合成恢復(fù)后的真實(shí)高動(dòng)態(tài)范圍圖像，圖9（a）為DMD全置即無調(diào)光時(shí)圖像傳感器sCMOS獲得的激光照射在物體上的圖像，從圖像中只能看到激光照射的極亮光斑，圖9（b）為DMD調(diào)光后經(jīng)合成恢復(fù)獲得的高動(dòng)態(tài)范圍圖像。

圖8 射燈試驗(yàn)Fig.8 Experiment of the spotlight

從圖8中可以清晰地看到射燈燈絲的形狀，成像效果遠(yuǎn)好于圖像傳感器直接獲得的圖像，從圖9中不僅可以看到激光照射的光斑，而且可以清晰地看到激光的束核，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)的正確性。

由于本實(shí)驗(yàn)采用的圖像傳感器為科學(xué)級(jí)16bit sCMOS，因此通過DMD后獲得的圖像為16bit圖像，而DMD的掩膜為12bit圖像，因此最終合成恢復(fù)后的圖像可以達(dá)28bit，圖像的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)168dB。而對(duì)于普通具有12bit的CMOS圖像傳感器，則圖像的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)144.4dB，可使普通圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍增加一倍。

圖9 拍攝激光照射的試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.9 Experiment images of laser

6 結(jié)論

本文涉及一種像素級(jí)的高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)有像方遠(yuǎn)心光路的成像物鏡光學(xué)系統(tǒng)、二次成像的轉(zhuǎn)置鏡頭光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)元件的包邊設(shè)計(jì)和定心車工藝、DMD調(diào)光算法的實(shí)現(xiàn)等。設(shè)計(jì)完成的原理樣機(jī)成像清晰，效果明顯，獲取的高動(dòng)態(tài)范圍圖像可達(dá)140dB以上，約為傳統(tǒng)攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的2倍，該系統(tǒng)在航天觀測(cè)、偵查等領(lǐng)域具有廣闊的前景。

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呂 濤（1984—），男，河南濟(jì)源人，博士，助理研究員，2009年于北京航空航天大學(xué)獲碩士學(xué)位，2014年于中科院長春光機(jī)所獲博士學(xué)位，主要從事空間環(huán)境目標(biāo)模擬光學(xué)設(shè)備和空間光學(xué)儀器的研究。Email：lvtao1984@gmail.com

付東輝（1966—），男，吉林長春人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，1987年畢業(yè)于中央廣播電視大學(xué)，主要從事空間環(huán)境目標(biāo)模擬光學(xué)設(shè)備和的研制。E-mailfudonghui2009@sina.com

陳小云（1966—），男，四川重慶人，本科，副研究員，1990年于長春理工大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，主要從事太陽模擬器高精度電源的研制。E-mail：chenxy@ciomp.ac.cn

劉 杰（1962—），女，吉林長春人，本科，工程師，1987年畢業(yè)于中央廣播電視大學(xué)，主要從事太陽模擬器的研制。E-mail：liujieciomp@163.com

利用DMD獲取高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)

呂 濤*，付東輝，陳小云，劉 杰

High dynamic range imaging technology using DMD

Lü Tao*，F(xiàn)U Dong-hui，CHEN Xiao-yun，LIU Jie
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：lvtao1984@gmail.com

In some scenarios，very bright objectives and very dark objectives exist at the same time.The traditional imaging device can not detect these objectives，and then high dynamic range image acquiring system is needed to detect them.Digital Micro-mirror Devices（DMD）is used to get high dynamic range image，which is the most advanced technology at present.In this paper，a pixel level high dynamic range imaging system is designed based on DMD.The system is composed of optical system，mechanical system，DMD pixel level dimming algorithm and imaging unit.The secondary imaging system is used in the optical system.The first imaging optical structure is image space telecentric system，and the second imaging optical structure is magnification 1：1 quasi-symmetric system.Wrapping technology of optical elements and centering machining process are used in mechanical system，and the optical assembly precision reaches second level.The method searching for single DMD pixel＇s controlling weight is used in dimming algorithm.The science class 12 bit sCMOS and 8 bit CCD can be used simultaneously in imaging unit.The correctness of the system is proved by the prototype.The image dynamic range can reach 140 dB，much higher than 78 dB dynamic range of traditional cameras.

imaging system；high dynamic range image；digital micro-mirror device；dimming

2095-1531（2015）04-0644-07

TN911.73；TN27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.3788/CO.20150804.0644

2015-02-19；

2015-04-13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（No.2013AA7031010B）

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