微 光 成 像 實 驗 平 臺 的 光 路 設 計

李 英， 尹麗菊， 申 晉， 寇廷棟， 鄒囯峰， 潘金鳳

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

0 引 言

微光成像技術是指在微弱照度環境下，將人眼看不見的目標和場景的反射光形成的圖像通過微光成像器件進行轉換、增強、處理，顯示為適合人眼觀察的可見光圖像技術[1]。近年來，隨著科技的發展，三維集成成像技術作為實現三維場景重建的方法，以其結構簡單、全視差、無需相干光源、計算量小等優點，成為微光成像領域的研究熱點。

典型的集成成像系統采用微透鏡陣列采集三維場景信息，記錄在感光元件上，生成微圖像陣列[2]。袁小聰等[3]提出相機陣列代替微透鏡陣列采集三維場景信息；趙敏等[4]提出一種基于雙目立體相機的實時集成成像拍攝系統，簡化了系統的結構；何偉基團隊[2]提出一種基于貝葉斯自適應估計方法來提高重構質量。以上對于集成成像的研究大都是采用電荷耦合器(CCD)等器件對光子進行采集，在深海、洞穴深處等極低照度的環境下，以上探測器件往往達不到探測要求。多像素光子計數器(Multi-pixel Photon Counter,MPPC)能夠對單個光子進行響應，在極低照度下有良好的光子計數能力，可以實現微光系統在更低照度下的探測成像。

三維成像是在二維成像的基礎上，利用距離傳感器獲取被測目標表面與鏡頭之間的距離圖像，從而獲取環境中的三維信息。所以，搭建二維成像平臺是進行三維研究的第1步。尹麗菊課題組[5]以雪崩光電二極管(APD)為探測核心，搭建了微光環境下的光子計數成像實驗系統；同課題組的仲紅玉等提出了多參數亮度值重映射的顏色傳遞方法，將灰度圖像賦予彩色[6]；王炫等[7]提出了基于新符號函數與盲源分離的光子計數圖像去噪方法，進一步提升圖像質量。該課題組的研究皆是基于平面圖片掃描，探測距離局限于mm級別。

本文在該課題組以往二維微光成像研究的基礎上，結合三維集成成像，針對目前集成成像系統結構復雜，且無法在極低照度下成像的缺陷，提出將MPPC應用于三維成像中。該系統將MPPC探測器與光學成像結構相結合，對成像系統進行光路設計，搭建實驗平臺，改善了MPPC探測器成像局限于近距離mm級別的圖像掃描成像的缺陷，將圖像掃描改進為實物物體探測，同時實現在10-4lx及更低光照條件下，目標物體的二維成像，也為三維微光重構的研究奠定了基礎。

1 系統設計

本設計在120 cm×80 cm的實驗平臺上展開，以MPPC探測器為核心，結合光學成像結構，由掃描機構帶動探測器的探頭移動進行逐點掃描，實現微光環境下目標物體的二維成像。物體反射光首先由成像結構匯聚在像平面處，在像平面上實現目標物體的第1次成像，MPPC探測器即可在像平面處對像進行逐點掃描，獲取目標二維平面內每個被掃描到的點的光信息，將采集到的光信息轉換為電信號后經由光纖傳輸被計算機采集存儲，經圖像恢復技術還原成二維圖像，即可得到目標物體的光子計數圖像。

本文設計的重點在于成像結構的光路設計及系統平臺的搭建。系統原理框圖如圖1所示。

1.1 MPPC功能

本系統中，選用的MPPC為日本濱松公司的C11208-150。MPPC的參數特性如下:有效光敏區1 mm×1 mm,像素間距50 μm,像素數400,光譜響應范圍320～900 nm,峰值波長450 nm,設備/器件溫度-10 °C,光子探測效率35%,暗計數5～50 kc/s,比較器輸出兼容TTL,比較器閾值水平9級可調節:0.5～7.5,禁用p.e.,工作溫度+5～+35 °C,存儲溫度-20～+60 °C。

圖1 系統原理框圖

1.2 掃描機構

本系統掃描機構選用型號為MTS103的精密電控平移臺，其行程為150 mm，臺面尺寸為90 mm×90 mm，由SC100系列步進電機控制器控制平移臺進行移動。掃描機構由兩個平移臺和一個PFC101型精密光纖耦合器搭建而成，平移臺搭建構成掃描系統的X軸和Y軸，光纖耦合器用來固定MPPC探頭，平移臺移動帶動探頭移動，進行逐點掃描，由光纖進行數據傳輸。掃描機構的設計原理圖如圖2所示。

圖2 掃描機構設計原理圖

1.3 光路設計

光學成像結構由多個透鏡組合而成，相對于單個透鏡而言，可以校正相差和色差，提高成像質量。評價光學系統性能的有效方法之一是調制傳遞函數MTF。

計算MTF的方法是：由光線追跡求出幾何相差，通過點列圖的傅里葉變換求出幾何相差的MTF[8]。其計算過程如圖3和圖4所示，計算公式如下。

圖4中式(1)：

H(w)=|H(w)|eiφ(w)或MTF

(1)

式(2)：

(2)

圖3 光線圖

(3)

形成像:

根據理論計算公式即可計算畫出MTF曲線。

圖4 MTF計算過程框圖

光學成像結構的主要設計指標如下：視場>20°,入瞳直徑20 mm,物距200 mm

(1) 光學成像結構焦距。假設光學成像系統由k個面組成，則由k個面構成的光學系統如圖5所示[8]。

圖5k個面組成的光學系統

設透鏡各個面的焦距為fi，近軸光線的入射高度為hi，整個系統的總焦距為f，取h1=1，則焦距計算公式如下[8]:

式中：n為光學玻璃的折射率；r為曲率半徑；d為玻璃厚度。

光學結構選取3個雙膠合透鏡組組成，根據所選擇玻璃的類型可計算出焦距的大小。結合成像結構設計主要技術指標，本系統焦距的范圍30～85 mm。

(2) 光學成像結構優化設計。光學結構設計選取雙膠合透鏡組成的透鏡組，使用雙片透鏡時，為了滿足消色差和像面平坦化，必須滿足:

(10)

式中：v為光學玻璃的阿貝常數，用來比較相對色散；n為折射率。

當雙膠合透鏡作為透鏡組的一個組成部分使用時，把n1=n2的雙膠合透鏡的總v值定義為等價v值，滿足:

(11)

對雙膠合透鏡來說，f是一定的，校正像差的自由度僅是r1和玻璃的選擇，即對n和v值的選擇。所以，凸透鏡選用BK7材料，凹透鏡選用SF2材料。基于以上，在ZEMAX軟件中選取合適的透鏡結構，然后對光學成像結構的主要參數(如焦距、視場、波長等)設定，進行優化。光學結構優化之后的點列圖、場曲圖、MTF曲線如圖6～8所示。

像面0.000 m

像面14.612 m

像面19.273 m

T-子午場曲;S-弧矢場曲;紅線-波長為656.3 nm的光線;綠線-波長為587.6 nm的光線;藍線-波長為486.1 nm的光線

圖7 場曲/畸變曲線

紅線-波長為656.3 nm的光線;綠線-波長為587.6 nm的光線;藍線-波長為486.1 nm的光線;TS-相同傳遞函數下,子午方向和弧矢方向上空間頻率的差值

圖8 MTF曲線

從圖中可以看出，設計的光學成像結構各項性能基本滿足設計指標要求。但在實際應用中還是存在很大的瑕疵，所以最終選用參數相同的相機鏡頭來代替。

2 系統搭建及實驗驗證

2.1 系統搭建

根據圖1的系統原理框圖及光路各部分設計，搭建光學實驗平臺。在實驗平臺的搭建中，像面位置的尋找、探測器與像面之間的距離選擇是至關重要的。經過反復計算實驗，像面的最佳位置在距離鏡頭8 cm處；探測器與像面的最佳距離是6 mm；在鏡頭與探測器之間加遮光罩，減小光散射的影響。光學實驗平臺實物圖如圖9所示，內部結構圖如圖10所示。

圖9 光學實驗平臺實物圖

圖10 光學實驗平臺內部結構圖

2.2 實驗驗證

根據搭建好的實驗平臺，對要探測的目標物體進行掃描。由上位機軟件控制掃描機構進行逐點掃描，上位機軟件界面如圖11所示。掃描完成后，光纖將數據傳輸給計算機，由Matlab軟件對數據進行處理，恢復成二維光子計數圖像。

圖11 上位機軟件界面

探測的目標實物圖如圖12和圖13所示。成像實驗結果如圖14和圖15所示。

圖12 三腳底座

圖13 人物模型

圖14 三腳底座成像結果

圖15 人物模型成像結果

3 結 語

本文提出將MPPC探測器應用于三維集成成像中，以MPPC探測器為核心，結合光學成像結構，對微光成像系統進行了光路設計，在120 cm×80 cm的實驗平臺上搭建了一套二維微光成像系統。該系統與課題組目前的實驗系統對比來說，改善了MPPC探測器成像局限于近距離mm級別的圖像掃描成像的缺陷，將圖像掃描改進為實物物體探測。對于三維微光集成成像，該系統的光路部分由光學成像結構和探測器組成，改善了傳統集成成像系統無法在極低照度下成像的缺陷，實現極低照度下的目標成像。通過實驗驗證，該系統可以實現10-4lx以及更低照度的環境下，40 cm距離的目標物體的二維成像，同時為三維微光集成成像的研究奠定了良好的基礎。