基于光纖束傳像系統的設計與加工的研究

何曉杰 卜鑫鏈 王春明 汪楓林

摘要：針對傳統的傳像系統易受電磁干擾的問題，設計并實現了在特殊環境下使用的光纖束傳像系統。利用ZEMAX光學仿真軟件，設計出了一個工作波段為可見光，全視場80°，焦距為5mm的監控物鏡，該物鏡各視場光學調制函數（MTF）值在空間頻率36lp/mm處大于0.8，點列圖最大彌散斑均方根半徑（RMS?radius）為3.031μm，接近衍射極限，因此具有較高成像質量。采用加工的物鏡、選型轉接鏡及光纖束等核心器件，搭建了傳像系統。通過測試光纖束圖像傳輸系統的抗電磁干擾性能，采用高斯低通濾波結合DCT同態濾波算法有效去除圖像的像素，獲得了高質量的信息傳輸。

關鍵詞：光纖束物鏡傳像系統電磁干擾

中圖分類號：TN253

Research?on?the?Design?and?Processing?of?the?Image?Transmission?System?Based?on?Fiber?Bundles

HE?Xiaojie??BU?Xinlian??WANG?Chunming??WANG?Fenglin

（Jingjiang?Power?Supply?Company，?State?Grid?Jiangsu?Electric?Power?Co.，?Ltd.，?Taizhou，?Jiangsu?Province，?214500?China）

Abstract：?In?order?to?solve?the?problem?that?the?traditional?image?transmission?system?is?susceptible?to?electromagnetic?interference，?a?fiber?bundle?image?transmission?system?used?in?the?special?environment?is?designed?and?implemented.?ZEMAX?optical?simulation?software?is?used，?a?monitoring?objective?with?an?operating?band?of?visible?light，?a?full?field?of?view?of?80?°?and?a?focal?length?of?5mm?is?designed.?The?optical?modulation?transfer?function?（MTF）?value?of?each?field?of?view?of?the?objective?is?greater?than?0.8?at?the?spatial?frequency?of?36lp/mm，?and?the?maximum?root?mean?square?（RMS）?radius?of?the?diffuse?spot?in?the?point?plot?is?3.031?μ?m，?which?approaches?the?diffraction?limit，?so?it?has?high?imaging?quality.?The?image?transmission?system?is?built?by?the?core?components?such?as?processed?objective?lenses，?selected?adapter?lenses?and?fiber?bundles.?By?testing?the?anti-electromagnetic?interference?performance?of?the?fiber?bundle?image?transmission?system，?the?Gaussian?low-pass?is?used?to?effectively?remove?the?pixels?of?the?image?in?combination?with?the?DCT?homomorphic?filtering?algorithm，?and?high-quality?information?transmission?is?obtained.

Key?Words：?Fiber?bundle;?Objective?lens;?Image?transmission?system;?Electromagnetic?interference

光纖束是由光纖制備的一種傳像器件，可以由多組分玻璃光纖、硫系玻璃光纖等不同類型光纖制備而成，具有纖細柔軟的特點，被廣泛應用于工業化、醫學、等領域。例如在醫療領域中，由光纖束制備的各種醫用內窺鏡，可以檢測器官組織的內部結構，有助于醫務人員對情做出準確判斷[1]。光纖束傳輸過程本身不帶電且通過光信號進行信息傳輸，系統結構較簡單、彎曲性能好、抗電磁干擾、抗輻射能力強，適合在電磁干擾及特殊環境下使用，在電力設備內部檢測中具有重大應用潛力。

本文基于電力設備內部檢測的需求，設計并實現了一套光纖束圖像傳輸系統。首先，簡要分析了光纖束的圖像傳輸原理。接下來，使用ZEMAX光學仿真軟件設計和優化符合所選光纖束參數特性的光學前成像物鏡。最后，利用加工后的物鏡、選定的過渡環境和光纖束等核心部件，建立了一套光纖束圖像傳輸系統。采用高斯低通濾波與DCT同態濾波相結合的方法對圖像進行去像素化處理，以增強圖像質量，并進一步對其抗電磁干擾能力進行實驗分析。

1?光纖束傳像原理與性能分析

光纖束是由多根光纖有序排列而成，根據光纖的導光原理，光在具有高折射率的纖芯中傳播，在低折射率的包層界面發生全反射，其中每根光纖都具有良好的光學絕緣性能，可以獨立傳光并且不受相鄰光纖的影響。光纖束端面的每根光纖都可以看作一個像元，像元的大小為單根光纖的直徑，像元數等于單根光纖的數量。光纖束傳像原理示意圖如圖1所示，圖中每個數字代表一根光纖，由于光纖束中每根光纖在入射端和出射端的幾何位置完全相同，因此出射端和入射端圖像基本一致。

作為無源圖像傳輸器件，光纖束的傳輸性能主要由截面大小、數值孔徑（Numerical?Aperture，?NA）、透過率、分辨率及斷絲率決定[2]。本文所使用的光纖束為南京春輝科技實業有限公司提供的一款8mm×8mm的大截面產品，其長度為1200?mm，光纖束數值孔徑（NA）為0.6，具有較高的集光能力。

（1）

影響光纖的透過率因素主要是由纖芯材料的吸收引起的損失、纖芯和包層界面發生的全反射損耗以及光纖端面的菲涅爾損耗等[3]。在光纖的制備工藝和材料等因素不變的情況下，光纖的透射率隨著纖芯層直徑的增加而增加。在405?nm和660?nm波長下，實際測得光纖束中心位置的傳輸損耗分別為3.25?dB/m和2.92?dB/m。此外，采用光學輪廓儀（Sensofar，?SNEOX）對光纖束的端面形貌進行觀測，如圖2所示，光纖束呈正六邊形排列，其光纖單絲直徑R2約為16.4μm。

2?光纖束傳像系統設計

2.1?光纖束傳像系統概述

光纖束傳像系統結構示意圖如圖3所示，該系統主要由物鏡、耦合系統、光纖束、轉接境及CCD構成。首先，光學成像物鏡將物體信息采集匯聚至物鏡像面，并有效耦合進光纖束中，物鏡的像面與光纖束端面在同一位置；其次，光纖束傳遞光信號，且將物體的光學信息傳遞到轉接鏡的物面，即光纖束另一端面和轉接鏡的物面在同一位置；最后，轉接鏡將光信號耦合到CCD的感光面上，通過CCD完成光電轉換后，再由計算機實時顯示，并將圖像信息存儲到計算機中。

2.2??物鏡設計

光學成像物鏡設計需要滿足光纖束的參數特性，其物距設為1m，視場角為80°，焦距為5mm，系統像高需匹配光纖束端面尺寸，考慮到將物鏡所有視場的光信號均匯聚至光纖束端面，因此像高選為8mm。此外，由于光纖束是通過光纖傳光來達到傳像目的，需要滿足光纖的全反射條件，應使入射光線的NA小于光纖束的NA（即物鏡的像方NA?小于光纖束的NA），才能保證光線在光纖束中全部傳輸。結合照度需求及加工工藝，選取物鏡的相對孔徑為1：4。為了保證系統高質量信息傳輸，物鏡的評價指標也需要滿足光纖束的要求，如表1所示為具體要求。于此同時，物鏡成像到光纖束端面的時候，需要保證軸上及軸外物點的全部光線均入射到光纖束中，因此物鏡設計成像方遠心光路。

確定好設計指標和要求之后，就需要選擇合理的結構，有效使用ZEMAX光學仿真軟件進行光學設計和優化。優化后的光路結構如圖4所示，該結構由8枚鏡片構成，像方NA為0.12，小于光纖束NA值，后焦距為5mm，有利于和光纖束的端面耦合。以光闌面為區分，可分為前組4枚鏡片和后組4枚鏡片，第1枚鏡片用于聚集大角度的光線；第2枚到第4枚鏡片主要對第1枚鏡片的光線進行接收，并且收斂其入射角，以減小后面鏡片尺寸；第5枚和第6枚鏡片組成雙膠合鏡片結構，有利于減小像差；第7枚與第8枚鏡片組成固定組，增大像面高度，可將光線完整匯聚到光纖束的端面上。

物鏡的色度焦移曲線如圖5所示，其最大焦移為15.8μm，小于衍射極限37.7μm，偏移程度較小，滿足要求。圖6為相對照度曲線，在40°視場下的照度為0.79，其他各視場均大于0.8，滿足物鏡照度大于0.7的設計要求。

物鏡的點圖顯示，物點發射的光穿過光學系統，在一定范圍內形成散射的散射圖案，從圖7～10可以看出各視場（0?deg、23.09?deg、32.66?deg、40deg）下點列圖的最大彌散斑均方根半徑（RMS?radius）為3.031μm，略高于艾里斑半徑2.872μm，接近衍射極限，其他各視場均小于艾里斑半徑。RMS最大直徑為6.230μm，該系統比光纖束中單根光纖的直徑更小，光線更集中，成像質量更好，滿足實際觀測需求。

3?光纖束傳像系統搭建及測試分析

3.1?傳像系統搭建

在光纖束圖像傳輸系統中，物鏡用于將監控對象的信息收集到光纖束的入射端面，其成像質量對傳像系統的整體成像質量起著重要作用。實際加工的物鏡產品其總長度約54?mm。為驗證已加工物鏡的光學性能，采用光學傳遞函數測量儀（ImageMaster??HR，北京全歐光學檢測儀器有限公司）對物鏡的MTF、CRA?和相對照度進行測試。MTF測試的工作距離設定為無窮遠，測試類型設定為視場角，測試結果表明，其最大空間頻率為150?lp/mm，間隔為2?lp/mm，MTF在150?lp/mm?處各視場的下降量均小于0.15，在加工過程中是一個可以接受的下降范圍。CRA的測試類型為成像高度，其總像高實測為8?mm，主光線在任意成像高度上與光軸的夾角均小于1°，達到了物鏡的設計要求[4]。

轉接鏡的物距設為35?mm，可減小系統的裝配難度，提高系統的靈活性；轉接鏡的相對照度設置為全視場大于0.9，以保證圖像傳輸到CCD時仍具有較高的照度；同時，為保證系統具有較高的成像質量，轉接鏡各視場MTF值在150?lp/mm處應大于0.3。根據以上要求選用了一款商用物方遠心鏡頭（I1.1×3.5T，天安光學）作為系統的轉接鏡，其結構參數滿足實際需求。

將加工的物鏡、選型的轉接境、光纖束及其他核心器件進行組裝，完整系統的整體結構如圖8（a）可以看出，包括前置成像模塊和后置轉換模塊，分別如圖8（c）、（d）所呈現。前置成像模塊包括耦合部件、固定環、物鏡等，通過三腳架固定放置；后置轉換模塊包括光纖束出射端、耦合部件、固定環、轉接鏡和CCD，并通過圖8（b）的機箱進行固定且封裝在機箱內部。光纖束傳像系統只需將數據線連接至計算機中即可完成圖像傳輸，具有操作簡單、方便攜帶等優點[5]。

3.2?系統傳像測試分析

一般光纖束傳輸的圖像具有較大的像素化，對成像效果產生重大影響，必須進行去像素化處理。去像素化處理后的評價指標（均值、標準差、平均梯度和熵值）計算結果如表2所示，經DCT同態濾波處理后的圖像均值有較大幅度提升，且熵值并未下降，說明DCT同態濾波算法可以增強圖像的亮度且不會降低圖像的信息量。并且，若使用高斯低通濾波結合DCT同態濾波算法處理圖像，獲得的四個評價指標均有所上升。

進一步對光纖束傳像系統進行抗電磁干擾性能測試，該實驗在電波暗室中進行，該環境能夠維持足夠均勻的電磁場。測試中使用的高增益喇叭天線可產生頻率范圍為800?MHz～5?GHz的電磁波，通過對比未加和加電磁輻射干擾情況下監控系統傳輸的圖像效果并未產生明顯差異，計算得到兩幅圖的結構相似性（Structural?Similarity，SSIM）值為0.982，具有較高的相似度，表明該傳像系統具有較好的抗電磁干擾能力[6]。

4?結論

基于電磁干擾環境中傳像需求，設計并研制了一套光纖束圖像傳輸系統。利用Zemax光學仿真軟件設計基于圖像立方體遠心光路的物鏡，經過該物鏡的光功率可以最大程度地耦合進光纖束中。加工后的物鏡成像測試結果表明，在光纖束極限分辨率36?lp/mm處物鏡各視場的MITF?值皆大于0.8，表明其具有優異的成像質量。采用高斯低通濾波結合DCT同態濾波算法對該傳像系統采集到的圖像進行去像素化處理，其成像質量得到大幅提升。進一步對光纖束傳像系統進行抗電磁干擾性能測試，測試結果表明該傳像系統具有優異的抗電磁干擾能力。

參考文獻

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[2] 張荊沙，張琰.基于嵌入式技術的光纖干涉型傳感器智能控制研究[J].激光雜志，2022，43（10）：193-196.

[3] 楊海林，劉麗娟，彭迪，等.光纖信能共傳技術研究進展[J].光學學報，2021，41（11）：9-18.

[4] 李韋萍，孔淼，石俊婷，等.ROF系統中基于單個調制器的多射頻操作[J].中國激光，2020，47（11）：203-208.

[5] 李璐，韓煦，袁軍，等.基于雙向EDFA的超長距光纖通信技術研究[J].現代電子技術，2022，45（23）：19-23.

[6] 巴穎華.光纖通信技術在電力系統調度自動化中的應用[J].集成電路應用，2022，39（11）：294-296.