微 光 成 像 实 验 平 台 的 光 路 设 计

李 英， 尹丽菊， 申 晋， 寇廷栋， 邹囯峰， 潘金凤

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)

0 引 言

微光成像技术是指在微弱照度环境下，将人眼看不见的目标和场景的反射光形成的图像通过微光成像器件进行转换、增强、处理，显示为适合人眼观察的可见光图像技术[1]。近年来，随着科技的发展，三维集成成像技术作为实现三维场景重建的方法，以其结构简单、全视差、无需相干光源、计算量小等优点，成为微光成像领域的研究热点。

典型的集成成像系统采用微透镜阵列采集三维场景信息，记录在感光元件上，生成微图像阵列[2]。袁小聪等[3]提出相机阵列代替微透镜阵列采集三维场景信息；赵敏等[4]提出一种基于双目立体相机的实时集成成像拍摄系统，简化了系统的结构；何伟基团队[2]提出一种基于贝叶斯自适应估计方法来提高重构质量。以上对于集成成像的研究大都是采用电荷耦合器(CCD)等器件对光子进行采集，在深海、洞穴深处等极低照度的环境下，以上探测器件往往达不到探测要求。多像素光子计数器(Multi-pixel Photon Counter,MPPC)能够对单个光子进行响应，在极低照度下有良好的光子计数能力，可以实现微光系统在更低照度下的探测成像。

三维成像是在二维成像的基础上，利用距离传感器获取被测目标表面与镜头之间的距离图像，从而获取环境中的三维信息。所以，搭建二维成像平台是进行三维研究的第1步。尹丽菊课题组[5]以雪崩光电二极管(APD)为探测核心，搭建了微光环境下的光子计数成像实验系统；同课题组的仲红玉等提出了多参数亮度值重映射的颜色传递方法，将灰度图像赋予彩色[6]；王炫等[7]提出了基于新符号函数与盲源分离的光子计数图像去噪方法，进一步提升图像质量。该课题组的研究皆是基于平面图片扫描，探测距离局限于mm级别。

本文在该课题组以往二维微光成像研究的基础上，结合三维集成成像，针对目前集成成像系统结构复杂，且无法在极低照度下成像的缺陷，提出将MPPC应用于三维成像中。该系统将MPPC探测器与光学成像结构相结合，对成像系统进行光路设计，搭建实验平台，改善了MPPC探测器成像局限于近距离mm级别的图像扫描成像的缺陷，将图像扫描改进为实物物体探测，同时实现在10-4lx及更低光照条件下，目标物体的二维成像，也为三维微光重构的研究奠定了基础。

1 系统设计

本设计在120 cm×80 cm的实验平台上展开，以MPPC探测器为核心，结合光学成像结构，由扫描机构带动探测器的探头移动进行逐点扫描，实现微光环境下目标物体的二维成像。物体反射光首先由成像结构汇聚在像平面处，在像平面上实现目标物体的第1次成像，MPPC探测器即可在像平面处对像进行逐点扫描，获取目标二维平面内每个被扫描到的点的光信息，将采集到的光信息转换为电信号后经由光纤传输被计算机采集存储，经图像恢复技术还原成二维图像，即可得到目标物体的光子计数图像。

本文设计的重点在于成像结构的光路设计及系统平台的搭建。系统原理框图如图1所示。

1.1 MPPC功能

本系统中，选用的MPPC为日本滨松公司的C11208-150。MPPC的参数特性如下:有效光敏区1 mm×1 mm,像素间距50 μm,像素数400,光谱响应范围320～900 nm,峰值波长450 nm,设备/器件温度-10 °C,光子探测效率35%,暗计数5～50 kc/s,比较器输出兼容TTL,比较器阈值水平9级可调节:0.5～7.5,禁用p.e.,工作温度+5～+35 °C,存储温度-20～+60 °C。

图1 系统原理框图

1.2 扫描机构

本系统扫描机构选用型号为MTS103的精密电控平移台，其行程为150 mm，台面尺寸为90 mm×90 mm，由SC100系列步进电机控制器控制平移台进行移动。扫描机构由两个平移台和一个PFC101型精密光纤耦合器搭建而成，平移台搭建构成扫描系统的X轴和Y轴，光纤耦合器用来固定MPPC探头，平移台移动带动探头移动，进行逐点扫描，由光纤进行数据传输。扫描机构的设计原理图如图2所示。

图2 扫描机构设计原理图

1.3 光路设计

光学成像结构由多个透镜组合而成，相对于单个透镜而言，可以校正相差和色差，提高成像质量。评价光学系统性能的有效方法之一是调制传递函数MTF。

计算MTF的方法是：由光线追迹求出几何相差，通过点列图的傅里叶变换求出几何相差的MTF[8]。其计算过程如图3和图4所示，计算公式如下。

图4中式(1)：

H(w)=|H(w)|eiφ(w)或MTF

(1)

式(2)：

(2)

图3 光线图

(3)

形成像:

根据理论计算公式即可计算画出MTF曲线。

图4 MTF计算过程框图

光学成像结构的主要设计指标如下：视场>20°,入瞳直径20 mm,物距200 mm

(1) 光学成像结构焦距。假设光学成像系统由k个面组成，则由k个面构成的光学系统如图5所示[8]。

图5k个面组成的光学系统

设透镜各个面的焦距为fi，近轴光线的入射高度为hi，整个系统的总焦距为f，取h1=1，则焦距计算公式如下[8]:

式中：n为光学玻璃的折射率；r为曲率半径；d为玻璃厚度。

光学结构选取3个双胶合透镜组组成，根据所选择玻璃的类型可计算出焦距的大小。结合成像结构设计主要技术指标，本系统焦距的范围30～85 mm。

(2) 光学成像结构优化设计。光学结构设计选取双胶合透镜组成的透镜组，使用双片透镜时，为了满足消色差和像面平坦化，必须满足:

(10)

式中：v为光学玻璃的阿贝常数，用来比较相对色散；n为折射率。

当双胶合透镜作为透镜组的一个组成部分使用时，把n1=n2的双胶合透镜的总v值定义为等价v值，满足:

(11)

对双胶合透镜来说，f是一定的，校正像差的自由度仅是r1和玻璃的选择，即对n和v值的选择。所以，凸透镜选用BK7材料，凹透镜选用SF2材料。基于以上，在ZEMAX软件中选取合适的透镜结构，然后对光学成像结构的主要参数(如焦距、视场、波长等)设定，进行优化。光学结构优化之后的点列图、场曲图、MTF曲线如图6～8所示。

像面0.000 m

像面14.612 m

像面19.273 m

T-子午场曲;S-弧矢场曲;红线-波长为656.3 nm的光线;绿线-波长为587.6 nm的光线;蓝线-波长为486.1 nm的光线

图7 场曲/畸变曲线

红线-波长为656.3 nm的光线;绿线-波长为587.6 nm的光线;蓝线-波长为486.1 nm的光线;TS-相同传递函数下,子午方向和弧矢方向上空间频率的差值

图8 MTF曲线

从图中可以看出，设计的光学成像结构各项性能基本满足设计指标要求。但在实际应用中还是存在很大的瑕疵，所以最终选用参数相同的相机镜头来代替。

2 系统搭建及实验验证

2.1 系统搭建

根据图1的系统原理框图及光路各部分设计，搭建光学实验平台。在实验平台的搭建中，像面位置的寻找、探测器与像面之间的距离选择是至关重要的。经过反复计算实验，像面的最佳位置在距离镜头8 cm处；探测器与像面的最佳距离是6 mm；在镜头与探测器之间加遮光罩，减小光散射的影响。光学实验平台实物图如图9所示，内部结构图如图10所示。

图9 光学实验平台实物图

图10 光学实验平台内部结构图

2.2 实验验证

根据搭建好的实验平台，对要探测的目标物体进行扫描。由上位机软件控制扫描机构进行逐点扫描，上位机软件界面如图11所示。扫描完成后，光纤将数据传输给计算机，由Matlab软件对数据进行处理，恢复成二维光子计数图像。

图11 上位机软件界面

探测的目标实物图如图12和图13所示。成像实验结果如图14和图15所示。

图12 三脚底座

图13 人物模型

图14 三脚底座成像结果

图15 人物模型成像结果

3 结 语

本文提出将MPPC探测器应用于三维集成成像中，以MPPC探测器为核心，结合光学成像结构，对微光成像系统进行了光路设计，在120 cm×80 cm的实验平台上搭建了一套二维微光成像系统。该系统与课题组目前的实验系统对比来说，改善了MPPC探测器成像局限于近距离mm级别的图像扫描成像的缺陷，将图像扫描改进为实物物体探测。对于三维微光集成成像，该系统的光路部分由光学成像结构和探测器组成，改善了传统集成成像系统无法在极低照度下成像的缺陷，实现极低照度下的目标成像。通过实验验证，该系统可以实现10-4lx以及更低照度的环境下，40 cm距离的目标物体的二维成像，同时为三维微光集成成像的研究奠定了良好的基础。