杜曉瑞,許黃蓉,李文龍,賀正權(quán),孔德鵬
(1 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)
(2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
(3 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 中國科學(xué)院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)
塑料傳像光纖作為一種由若干光纖均勻分布、規(guī)則排列的無源傳像器件,因具有柔性好、易彎曲、成本低、耐腐蝕、抗電磁等特點(diǎn)[1],被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、航空、光電等領(lǐng)域,如醫(yī)用內(nèi)窺鏡成像和軍用潛望式瞄準(zhǔn)系統(tǒng)就利用了塑料傳像光纖任意彎曲的特性。目前,在光纖傳像系統(tǒng)中,電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,COMS)圖像傳感器的像素?cái)?shù)已達(dá)到百萬甚至千萬量級(jí),而傳像光纖作為關(guān)鍵的無源圖像傳輸器件,像素?cái)?shù)的提升空間非常有限,極大地限制了光纖傳像系統(tǒng)的分辨率。已報(bào)道的關(guān)于傳像光纖(或光纖傳像束)的研究多數(shù)是對(duì)其制作工藝進(jìn)行改善提升,如長春理工大學(xué)周德春等[2]在2010 年通過引入La2O3等材料制備出了數(shù)值孔徑高達(dá)0.82 的傳像光纖,提高了其收光能力。同年,南京春輝科技實(shí)業(yè)有限公司通過復(fù)絲法與層疊法的有機(jī)結(jié)合生產(chǎn)了單絲數(shù)為120 萬、分辨率大于50 lp/mm 的“大截面高分辨?zhèn)飨袷保?]。國外目前對(duì)光纖成像的研究更多的是通過后期算法提升獲取圖像的質(zhì)量,如美國的亞利桑那大學(xué)[4]提出一種基于深度學(xué)習(xí)的方法,建立傳像光纖輸出圖像與真實(shí)圖像之間的映射,通過不斷的學(xué)習(xí)和評(píng)估,提高光纖傳像系統(tǒng)的空間分辨率,但該方法目前只對(duì)簡(jiǎn)單圖樣有效,對(duì)復(fù)雜內(nèi)容的圖像提升有限。目前商用的傳像光纖分辨率最高的是日本的藤倉公司制作的石英傳像光纖,外徑為0.65 mm,含有3 萬像素,但是截面很小,對(duì)系統(tǒng)的像素提升有限。本文基于塑料傳像光纖成本低、柔性好、單絲直徑小的特點(diǎn),提出了一種利用塑料傳像光纖陣列有效提升光纖傳像系統(tǒng)分辨率的成像技術(shù),在降低成本和制作難度的同時(shí)解決了現(xiàn)有光纖傳像系統(tǒng)中分辨率受傳像光纖像素?cái)?shù)制約的瓶頸。同時(shí)在傳像光纖陣列前端引入微透鏡陣列,利用其部分重疊成像的特點(diǎn),解決傳像光纖陣列因光纖束間隙造成的圖像缺失的問題。
傳像光纖陣列多孔徑成像系統(tǒng)光路如圖1,主要由主鏡頭、微透鏡陣列、塑料傳像光纖陣列、CCD 相機(jī)以及計(jì)算機(jī)組成。主鏡頭接收物體信息匯聚成一次像,一次像再經(jīng)過微透鏡陣列匯聚到傳像光纖中,耦合鏡頭接收傳像光纖出來的光束再傳遞到CCD 感光面實(shí)時(shí)成像并在計(jì)算機(jī)中顯示。
由圖1 可見,整個(gè)傳像系統(tǒng)可分為三部分:鏡頭成像、光纖束陣列傳像及CCD 接收?qǐng)D像。鏡頭的分辨率、光纖束陣列的分辨率以及CCD 的分辨率共同影響著系統(tǒng)傳像效果,其中分辨率最低的一部分會(huì)決定傳像系統(tǒng)最終分辨率。目前鏡頭與CCD 可達(dá)到幾百至上千萬像素,而傳像光纖束通常只有幾萬至幾十萬像素,且單絲直徑最細(xì)只能做到十幾微米。因此在外形尺寸不變的前提下,傳像光纖的單絲直徑越小、像素?cái)?shù)越多,則整個(gè)傳像系統(tǒng)的分辨率越高。
分辨率通常分為物方分辨率與像方分辨率,其關(guān)系為
式中,Pu為物方分辨率,表示物空間中描述物體細(xì)節(jié)的能力,Pv為像方分辨率,X是光學(xué)元件的放大率(通常指鏡頭)。在該系統(tǒng)中,鏡頭的像方即是傳像光纖的物方,傳像光纖的像方即是CCD 的物方,根據(jù)式(1)可得理論上的系統(tǒng)分辨率為
式中,Pv1是鏡頭像方分辨率,Pv3是CCD 輸出圖像分辨率,X2和X3分別是傳像光纖和CCD 的放大率。由式(2)可知理想狀態(tài)下系統(tǒng)獲取圖像的分辨率取決于鏡頭的分辨率,但實(shí)際情況中傳像光纖的分辨率小于鏡頭分辨率和CCD 分辨率,由此導(dǎo)致最終圖像的分辨率Pv3=Pv2<Pv1,Pv2是傳像光纖分辨率。傳像光纖由成千上萬根光纖單絲構(gòu)成,其分辨率取決于單絲直徑大小即固定尺寸內(nèi)含有的像素?cái)?shù)量,分辨率與像素的關(guān)系為
式中,d是光纖單絲直徑,N是傳像光纖像素總數(shù),S是傳像光纖的截面積。在一定截面積S內(nèi),分辨率P決于含有的像素?cái)?shù)量N。鏡頭成像尺寸是一定的,故傳像光纖的截面尺寸也是一定的,此時(shí)傳像光纖分辨率由其含有的像素?cái)?shù)決定,像素?cái)?shù)越多、像元直徑越小,系統(tǒng)分辨率越高。本文旨在提高傳像光纖的像素?cái)?shù)量,從而使光學(xué)系統(tǒng)分辨率得到提升。
系統(tǒng)成像部分由主鏡頭與微透鏡陣列承擔(dān),其成像原理如圖2。圖2(a)為物點(diǎn)經(jīng)過主鏡頭后形成的一次像再次經(jīng)過軸上子透鏡匯聚到像面,圖2(b)為同一物點(diǎn)經(jīng)過主鏡頭后分別經(jīng)過離軸的兩個(gè)子透鏡匯聚到像面,由此,同一物點(diǎn)可以在多個(gè)微透鏡后聚焦成像,通過合理的光學(xué)設(shè)計(jì),最終能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰子透鏡成部分重疊的像[5]。
設(shè)物體高度為Y,物體經(jīng)過主鏡頭成的像高為Y',經(jīng)微透鏡二次成像后像高為L/2,其關(guān)系為[6]
式中,A、B、C、D分別為主鏡頭成像的物距和像距以及微透鏡成像的物距和像距,設(shè)Δ/2 為同一物點(diǎn)在相鄰微透鏡成像位置變化,微透鏡與其相鄰?fù)哥R成像差異率為K,則
由式(6)可得,微透鏡陣列成像的差異率與其物距C有關(guān),微透鏡成像的物距C越大,其與相鄰圖像差異率越小,重疊率越高。當(dāng)物距C遠(yuǎn)大于微透鏡像距D時(shí)(本文微透鏡像距小于1 mm),差異率接近于0,造成相鄰微透鏡成像高度重疊的現(xiàn)象,通常物體離鏡頭的距離遠(yuǎn)高于微透鏡陣列成像的后截距。為保證微透鏡陣列的每個(gè)子透鏡成像質(zhì)量良好,二次像入射到微透鏡表面時(shí)需為遠(yuǎn)心光路,使全視場(chǎng)成像效果與主光軸一致,避免軸外光線經(jīng)過離軸的子透鏡時(shí)成像不清晰。因此,搭配一個(gè)像方遠(yuǎn)心的主鏡頭對(duì)物體成一次像,然后用微透鏡陣列成二次像,通過調(diào)節(jié)一次像到微透鏡陣列的距離來控制相鄰子圖像的重疊比例。合適的子圖像重疊率,可以有效解決傳像光纖陣列中的圖像空缺問題。
1.2.1 鏡頭設(shè)計(jì)
選擇常用的室內(nèi)監(jiān)控作為應(yīng)用場(chǎng)景,設(shè)計(jì)一款監(jiān)控鏡頭作為主鏡頭,用于對(duì)目標(biāo)物體成像。室內(nèi)監(jiān)控鏡頭的主要參數(shù)為視場(chǎng)角與景深,以常見的單間辦公室為目標(biāo)場(chǎng)景,長、寬、高分別為6 m、3.7 m、3.7 m。監(jiān)視鏡頭安裝于頂部角落,則需要設(shè)計(jì)的視場(chǎng)角約為88°,景深為5 m 以上。系統(tǒng)的景深與焦距、光圈等參數(shù)的關(guān)系可表示為[7]
式中,F(xiàn)為光圈大小,I為對(duì)焦距離,R是彌散圓半徑,f為焦距(物理焦距而非等效焦距),w1和w2分別代表前景深和后景深。根據(jù)式(7)可看出光圈對(duì)景深的影響最小,對(duì)焦距離對(duì)景深的影響最大,其次是焦距。因此主要考慮縮小焦距和增大對(duì)焦距離來達(dá)到景深要求[8],具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。
表1 監(jiān)控鏡頭參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Design parameters of surveillance lens
由于微透鏡陣列要與傳像光纖陣列對(duì)接,傳像光纖直徑為1.5 mm,傳感器長寬比為4∶3,因此微透鏡陣列設(shè)計(jì)為6×8 陣列,子透鏡直徑為1.5 mm??刂莆⑼哥R陣列成像的物距,使其達(dá)到合適的圖像重疊率??紤]圖像處理需裁切出傳像光纖內(nèi)接正方形圖像,經(jīng)計(jì)算,設(shè)計(jì)20%的圖像重復(fù)率可使圖像拼接完整且不浪費(fèi)像素。另外,因非球面透鏡具有更好的聚焦效果,故使用非球面設(shè)計(jì),微透鏡設(shè)計(jì)參數(shù)如表2,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3。
表2 微透鏡參數(shù)設(shè)計(jì)Table 2 Design parameters of micro lens
表3 微透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Structural parameters of microlens
1.2.2 傳像光纖陣列
基于目前市場(chǎng)上商用高分辨大截面?zhèn)飨窆饫w通常為幾十萬像素,為驗(yàn)證本文成像系統(tǒng),傳像光纖選用實(shí)驗(yàn)室已有的外徑為1.5 mm 的塑料光纖,內(nèi)含六邊形排列的1.3 萬個(gè)像素,像元大小約為12 μm,理論分辨率為42 lp/mm。傳像光纖設(shè)計(jì)為6×8 的矩形陣列,如圖3 所示,長寬比與CCD 相機(jī)的圖像傳感器匹配。傳像光纖陣列像素總數(shù)為62.4 萬,經(jīng)圖像處理后有效像素?cái)?shù)約為40 萬。
圖中紅框部分為光纖陣列的間隙,其占空比為22%。若直接采用傳像光纖陣列成像,則會(huì)因其排列間隙造成22%的信息缺失。因此結(jié)合設(shè)計(jì)的微透鏡陣列,可利用多孔徑成像的特點(diǎn)有效解決傳像光纖陣列中的圖像空缺問題。
按照設(shè)計(jì),在不改變光纖陣列截面尺寸的情況下,所采用傳像光纖的單絲越細(xì),傳像光纖陣列像素?cái)?shù)越多,系統(tǒng)分辨率越高。據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上存在一種外徑為0.5 mm,像素?cái)?shù)為7 400 的傳像光纖,單絲直徑為5 μm,若采用該傳像光纖,可使系統(tǒng)有效像素?cái)?shù)達(dá)到200 萬以上,提升至百萬數(shù)量級(jí),使系統(tǒng)分辨率得到較大提升。
對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)初始的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般有經(jīng)驗(yàn)法、資料法以及初級(jí)像差理論計(jì)算法[9]。由于初級(jí)像差理論計(jì)算復(fù)雜且不靈活,而本文系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)明確,因此利用經(jīng)驗(yàn)選取一種雙高斯結(jié)構(gòu)鏡頭作為主鏡頭的初始結(jié)構(gòu)。
雙高斯鏡頭的結(jié)構(gòu)特性可以有效減少一部分像差,由于視場(chǎng)、景深、像面大小等要求,在選定的雙高斯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一組位于右端的鏡片形成非對(duì)稱的雙高斯鏡頭,用于擴(kuò)大光圈和進(jìn)一步糾正像差,便于后續(xù)遠(yuǎn)心光路的設(shè)計(jì)。但該結(jié)構(gòu)在88°左右的視場(chǎng)較難達(dá)到所需像高,因此在最左端放置一片凹透鏡,配合后面的凸透鏡組形成反望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。在反望遠(yuǎn)修正下的雙高斯結(jié)構(gòu)可以增加后截距便于后面的傳感器或鏡頭連接,在不過分增長焦距和后截距的情況下獲取更大的像[10],鏡頭最終結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4。
表4 鏡頭結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Structural parameters of lens
最終的鏡頭組結(jié)構(gòu)如圖4。物鏡系統(tǒng)焦距為10.1 mm,光圈系數(shù)為6.3,光學(xué)總長為168 mm,符合常見的監(jiān)控鏡頭設(shè)計(jì)規(guī)格[11]。系統(tǒng)工作距離為1 300 mm,視場(chǎng)角為88°,系統(tǒng)前景深為630 mm,后景深為4 200 mm,滿足實(shí)驗(yàn)環(huán)境需求。
在經(jīng)過光學(xué)仿真軟件對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化后,一般采用調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function,MTF)、點(diǎn)列圖、橫向色差等對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行分析。MTF 曲線圖是對(duì)鏡頭成像清晰程度的一個(gè)定量的描述,包含分辨率和對(duì)比度兩個(gè)參數(shù),是國際上廣泛認(rèn)可的對(duì)成像質(zhì)量最客觀最權(quán)威的評(píng)價(jià)[12]。點(diǎn)列圖是描述物點(diǎn)經(jīng)過鏡頭匯聚后最終呈現(xiàn)的彌散斑大小以及能量分布,主要用于描述系統(tǒng)球差以及判斷能否匹配傳感器像素大小。結(jié)合MTF 曲線圖和點(diǎn)列圖再輔以場(chǎng)曲、色差等就可以對(duì)系統(tǒng)作出一個(gè)較為全面的像質(zhì)分析。
圖5 為主鏡頭加一組同軸微透鏡所組成系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo),代表每組微透鏡后的成像效果。主鏡頭觀測(cè)物高為1 221 mm,微透鏡尺寸為主鏡頭所成像高的十分之一,再結(jié)合仿真軟件的光線追跡效果,將視場(chǎng)設(shè)置為物高0~115 mm。由圖5 可以看出系統(tǒng)擁有較高的分辨率,其MTF 值在50 lp/mm 處可達(dá)0.4 以上,且90%的視場(chǎng)內(nèi)MTF 值在0.6 以上。整體視場(chǎng)的曲線較為集中且平滑,尤其是0.7 視場(chǎng)以內(nèi)的曲線,邊緣視場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量影響不大且像質(zhì)較難提升,因此可以認(rèn)為該系統(tǒng)成像質(zhì)量良好,滿足后接傳像光纖的分辨率需求以及CCD 匹配。各視場(chǎng)的點(diǎn)列圖RMS 半徑均在衍射極限附近,且都小于傳像光纖單絲半徑,滿足傳像需求。橫向色差基本在艾里斑之內(nèi),對(duì)像質(zhì)影響可忽略。
由于透鏡在加工的時(shí)候很難做到完全精準(zhǔn),因此在光學(xué)設(shè)計(jì)的時(shí)候要對(duì)透鏡的制造公差進(jìn)行分析,在保證高質(zhì)量成像的前提下最大程度容忍一定量的系統(tǒng)公差。因此使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件以衍射MTF 平均值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),分析該系統(tǒng)在50 lp/mm 處的MTF 變化情況。設(shè)定表面半徑公差為4 個(gè)條紋,表面偏心公差為0.02 mm,表面傾斜及元件傾斜公差均為0.03°,元件偏心公差為0.03 mm,表面厚度公差為0.03 mm,選擇S+A 不規(guī)則度,光圈值為0.3,進(jìn)行1 000 次蒙特卡洛分析。分析結(jié)果如表5,表明在公差允許范圍內(nèi)可獲取較高成像質(zhì)量。
表5 蒙特卡洛分析結(jié)果Table 5 Results of Monte Carlo tolerance analysis
根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,選用了一款型號(hào)為SHL-2060 的彩色CCD 來接收?qǐng)D像信息。系統(tǒng)搭建如圖6 所示,首先利用主鏡頭收集目標(biāo)物體的信息,使光線匯聚到微透鏡陣列前端形成一次像。調(diào)節(jié)兩片微透鏡陣列的位置使光線進(jìn)一步聚焦,從而進(jìn)入傳像光纖陣列中,每一根傳像光纖對(duì)應(yīng)一個(gè)微透鏡。由于實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),故傳像光纖長度定為20 cm 以滿足實(shí)驗(yàn)需求。為了更好地耦合光線,根據(jù)傳像光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取光學(xué)放大倍率為0.13~2 倍的ML15 變焦遠(yuǎn)心鏡頭作耦合鏡頭,以便清晰完整地將經(jīng)由傳像光纖陣列傳輸來的圖像耦合到后端的CCD 中。
為測(cè)試該系統(tǒng)的圖像傳輸質(zhì)量,使用ISO 12233 標(biāo)準(zhǔn)型分辨率測(cè)試卡作為目標(biāo)物體檢測(cè)系統(tǒng)分辨率。ISO 12233 標(biāo)準(zhǔn)型分辨率測(cè)試卡有SFR 測(cè)試、楔形線測(cè)試以及頻率線測(cè)試三種測(cè)試方法,實(shí)驗(yàn)采用頻率線測(cè)試。圖7 為系統(tǒng)拍攝的分辨率測(cè)試卡,從圖片上紅框部分可知該系統(tǒng)可分辨位置為6~7 之間,約為6.5 左右,測(cè)試卡標(biāo)度為100×,所以觀測(cè)結(jié)果約為650 線對(duì)。根據(jù)圖像高度算出該分辨率約為40 lp/mm,接近所用傳像光纖的分辨率42 lp/mm,表明該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的傳像系統(tǒng)的可行性,將整個(gè)系統(tǒng)搭建完成后對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境進(jìn)行拍攝。圖8(a)為系統(tǒng)拍攝圖片。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)每一個(gè)子圖進(jìn)行標(biāo)定、旋轉(zhuǎn)、裁切和拼接處理。圖8(b)為處理后的圖像,該圖像包含的傳像光纖的有效像素?cái)?shù)約40 萬,圖片內(nèi)容表達(dá)完整,可以清楚地看出觀測(cè)內(nèi)容。若采用單絲直徑更小的傳像光纖,如日本旭化成公司生產(chǎn)的0.5 mm 外徑,含7 400 像素的傳像光纖,采用與本文傳像光纖陣列相同的截面尺寸,排列成18×24 矩形陣列,可使系統(tǒng)有效像素?cái)?shù)達(dá)200 萬以上,成像質(zhì)量更佳。
如圖8 所示,圖片拼接處過渡不自然,仍有網(wǎng)格效應(yīng),且每個(gè)子圖邊緣視場(chǎng)較暗。造成這種現(xiàn)象的原因是傳像光纖陣列中光纖束之間存在間隙,而設(shè)計(jì)的微透鏡陣列中相鄰子透鏡之間都是緊密相接的,這會(huì)導(dǎo)致光纖與子透鏡的位置無法完全對(duì)應(yīng),導(dǎo)致圖像丟失部分信息,使得圖像拼接處過渡不自然。同時(shí)由于加工方式和工藝的原因,微透鏡陣列中子透鏡邊緣彼此重疊(如圖9 中紅色框線中所示),使得該位置的光線經(jīng)過透鏡后無法正常成像,從而引起邊緣視場(chǎng)較暗和圖像信息缺失。實(shí)際應(yīng)用中,為了解決上述問題,可根據(jù)傳像光纖陣列中光纖的分布位置重新設(shè)計(jì)制作微透鏡陣列,使每一個(gè)子透鏡都能與傳像光纖陣列中的光纖位置一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)還可減小子透鏡的有效孔徑來減少子透鏡和光纖位置存在偏差帶來的影響。
本文提出了一種基于塑料傳像光纖陣列的多孔徑高分辨成像技術(shù),解決傳統(tǒng)光纖傳像系統(tǒng)的分辨率受傳像光纖像素?cái)?shù)目制約的問題。高分辨、細(xì)單絲的傳像光纖難以直接做成大截面、高像素?cái)?shù)的傳像束,而市場(chǎng)上的常規(guī)傳像束單絲直徑最小也是十幾微米。本文通過將高分辨、小截面的傳像光纖集束成陣列,在不改變傳像系統(tǒng)徑向尺寸的情況下,解決了像素提升的問題,并且利用微透鏡陣列成像的重疊性解決了傳統(tǒng)光纖束陣列成像時(shí)光纖束間隙造成的信息缺失,使系統(tǒng)獲得完整清晰的像。通過構(gòu)建傳像系統(tǒng)性能指標(biāo)與光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系,仿真設(shè)計(jì)出主鏡頭和微透鏡陣列與系統(tǒng)搭配,設(shè)計(jì)結(jié)果良好,為該系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該傳像系統(tǒng)擁有60萬總像素?cái)?shù),約40萬有效像素,輸出圖像信息完整,分辨率達(dá)到40 lp/mm以上,與采用的傳像光纖分辨率很接近。該系統(tǒng)通過提升一定截面尺寸內(nèi)像素?cái)?shù)來提升分辨率,故單絲直徑越小系統(tǒng)分辨率越高,采用單絲直徑更小、性能更好的傳像光纖理論上可使光
纖傳像系統(tǒng)像素?cái)?shù)達(dá)到百萬級(jí)別。因此,該成像技術(shù)對(duì)光纖傳像系統(tǒng)的分辨率提升具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。