多路谷物色选光学成像系统分光器件的研究

付秀华，席佩花，孟繁有，张功，张静

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.长春日辰光电技术有限公司，长春 130012）

谷物色选机是根据物料光学特性的差异，利用光电技术将颗粒物料中的异色颗粒自动分拣出来的一种设备。它是通过产品的颜色来区分、筛选其中的异色粒和杂质，特别是在不合格粒与合格粒的粒度、密度等都十分相似的情况下，色选是唯一的分选方法。谷物色选机主要由喂料系统、光电检测系统、分选系统、控制系统组成，光电检测系统是整个色选机的核心系统，而光学系统是其中重要的一部分，它关系到谷物是否能在CCD光敏元上成清晰的像，从而直接影响色选机的色选精度［1-2］。

目前，国内常用的谷物色选机检测系统光谱范围在380～780 nm，采用线阵CCD和CMOS图像传感器，对谷物的形状和颜色进行检测分析，但是对于与合格粒表面颜色差异较小的异色粒，不能够直接检测，需要用红外光识别其内部差异才能够区分，还有其他类杂质，比如透明玻璃碎片、塑料等，可见光波段不能够识别，也需要借助红外光设备进行筛选，净选率低。并且国内常用色选机检测系统主要是针对某一种或者某几种物料给定光谱范围进行筛选，但是每种谷物都有它特定的色选波长，具有局限性，分选效果差、成本高［3-4］。

本文提出并设计一种适用于多类谷物的三路色选光学成像系统分光器件，根据光学成像系统的设计，确定分光器件的参数指标，通过分光棱镜系统结构的设计以及光学薄膜的研制实现了三路分光。该分光器件能够满足绝大多数的谷物颗粒色选要求，并有效提高谷物色选系统的筛选效率。

1 技术指标

谷物色选光学成像系统由前组物镜和后组分光器件组成。分光器件属于成像系统的重要组成部分，其具体的技术参数需要通过光学成像系统的总体参数进行计算确定。

根据色选机内部的空间条件要求，该光学系统的共轭距在560～710 mm范围之内，由于镜头需要设计分光棱镜，后截距要求较长，因此共轭距确定为700 mm，物距为585 mm，光学系统的总长为115 mm。谷物色选镜头是与像元大小为4.7 μm × 4.7 μm、像元数为7 400的线阵CCD传感器相匹配，则像高为34.8 mm，镜头的分辨率为106 lp/mm。光学系统的焦距直接影响镜头的能力，依据待检测物体的尺寸范围，暂定镜头焦距为50 mm。由于色选机内部无自然光进入，需要引入照明系统，考虑到传感器工作时对温度的要求，需要保证色选机内部的照明系统功率较小，所以暂定镜头F数为2.0，后来经过设计计算，镜头分辨率为106 lp/mm时，光学结构非常复杂，需要使用至少10组镜片，并且MTF值很难达到0.3以上，因此将镜头焦距设定为30 mm，F数为2.8，物高340 mm。此时，根据设计结果得出，整个光学系统为6片式结构，MTF值在106 lp/mm时达到0.3以上，满足使用要求。根据传感器的像元尺寸、镜头的焦距和分辨率以及待测物体的尺寸范围，可确定镜头三路的放大倍率差异需要小于0.000 1。根据色选条件要求，确定光学系统的波段范围为400～930 nm，其光学系统的基本参数如表1所示。

表1 光学成像系统的主要技术指标

色选光学系统结构图如图1所示，具体的结构参数如表2所示。镜组1到5为前组物镜，6为分光器件。由于三路光经过分光器件的光路是相等的，因此在光学系统设计时将分光器件等效为横向长为44.3 mm的玻璃平板，保护玻璃厚度为0.7 mm。该系统有效焦距为30 mm，口径为11.1 mm，总长度为115 mm，满足了线阵CCD传感器进行耦合的要求［7-9］。

表2 系统结构参数

图1 光学系统的结构图

根据优化后的结果，从调制传递函数MTF、垂轴色差和畸变进行分析评价光学系统的成像质量。系统的调制传递函数MTF曲线如图2所示，从图2曲线中看出，在奈奎斯特频率106 lp/mm处，不同工作波段内MTF值均在0.3以上，满足成像光学系统的要求。

图2 系统的MTF曲线

系统的垂轴色差曲线如图3所示。谷物色选系统采用灰度值计算，镜头的色彩还原非常关键，为了降低色差及矫正二级光谱，引入玻璃H-FK61来矫正色差，从图3曲线图可以看出不同工作波段系统垂轴色差也得到了显著改善。

图3 系统的垂轴色差曲线

系统的畸变曲线如图4所示，畸变表示光学系统成像发生变形的程度，也是影响光学系统成像质量的标准之一。相机系统畸变一般要求在2%以内即可，从图4曲线图结果显示系统的不同工作波段的畸变均小于1%，得到很好的校正，满足色选镜头对畸变的要求。

图4 系统的畸变曲线

2 分光器件结构的设计

分光器件是整个谷物色选光学系统的关键部分，它决定了成像光学系统的分光能力。为了能够测量绝大多数的粮食颗粒、矿物颗粒等颗粒状物体，需要区分不同颜色近似灰度值的情况，并根据传感器的感光度情况，分为三个波段，一个波段为蓝绿光，光谱范围为400～570 nm；一个波段为红光，光谱范围为610～700 nm；一个波段为近红外光，光谱范围为750～930 nm。本文利用分光棱镜结构设计以及光学薄膜的研制实现三路分光。

2.1 三路分光棱镜结构的设计

根据色选机的光学结构要求，分光棱镜系统设计时需要考虑两个方面，一是三路光光程需近似或者相等，二是分光棱镜的体积不能过大。

对于常规的45°分光棱镜组合，其分光系统结构如图5所示。光线经过棱镜后，B+G光的光程最短，其次是R光和NIR的光程相等，为了满足光学系统像面的大小，棱镜的尺寸至少为16 mm×16 mm，此时，整体设计上存在两个难点，第一是光学系统的后截距过长，第二是整体的结构体积十分庞大，满足不了空间上的要求。

图5 常规45°分光棱镜的结构

根据光学结构的特点，采用不规则的棱镜进行结构设计，其分光系统结构如图6所示。棱镜的材料选用H-K9L光学玻璃，其折射率nk=1.5168（对应波长550 nm），发生全反射时，其临界角C=arcsin( )1nk=41.25°。根据典型3CCD相机棱镜分光结构形式，通过全反射原理、色选机内部空间的条件以及CCD传感器的尺寸，可确定棱镜的结构。通过计算可知，在棱镜系统中，光线的入射角度满足 -6°≤θ1≤ 5.6°，系统可正常工作，因此本文选用光线垂直光轴入射时，进行设计论证。

图6 分光棱镜系统的结构

第一路光，光从棱镜1（a）面进入到（b）面形成二向分色，红光和近红外光透射，要使蓝绿光反射到面（a）发生全反射，需要满足全反射条件，为了防止棱镜1中光线出现偏振，上端楔角要尽量小，以及考虑到实际加工生产条件，因此全反射角选取为46°，上端的楔角选择23°。根据几何关系可得：θ2=46°，θ3=44°，出射面与底平面的夹角θ4=44°。

第二路光，红外光从棱镜的面（b）进入到面（e）形成二向分色，近红外光透射，红光反射到棱镜2的前表面，要使红光在棱镜2的前表面发生全反射，需要满足入射角大于等于临界角C=arcsin(1n)=41.37°（在红光条件下），同样全反射角选取46°，根据几何关系可得：θ5=23°，θ6=44°，则棱镜 2 的上端楔角θ7=46°，下端楔角θ8=34.5°。

第三路光，近红外光从棱镜3透射出去。根据棱镜1和棱镜2的结构形式，可以推出棱镜3结构，并根据几何关系可得，入射面的角度为θ9=78.5°，θ10=101.5°。

为了实现三路分光，棱镜2需要在前表面发生全反射，如果采用常规组合棱镜方法胶合，无法满足光从光密介质到光疏介质的全反射条件，因此，需要对结构进一步的改善。考虑实际使用条件，在棱镜1和棱镜2之间增加空气间隙来满足发生全反射的条件。所以在根据设计要求计算三路光的光程时，以第三路近红外光的光程为基准，进行计算。

通过设计计算最终的结构如图7所示。棱镜1的入射面垂直于物镜的光轴。入射光从棱镜1（a）面进入到（b）面形成二向分色，红光和近红外光透射，蓝绿光反射到面（a）发生全反射，射出面（c），进入传感器；红光和近红外光从棱镜的面（b）进入到面（e）形成二向分色，近红外光透射，红光反射到棱镜2的表面上产生全反射，棱镜1与棱镜2的斜面间存在0.03 mm的空气间隙，红光从面（d）及补偿镜片1射出，进入传感器；近红外光从棱镜面（e）及补偿镜片2射出，进入传感器［11-13］。

图7 分光棱镜系统最终的结构图

色选镜头要求三路光的放大倍率差小于0.000 1，不同颜色的光折射率不同，所以三路光的有效焦距不同，影响放大倍率的指标为光学系统的焦距。因此，保证三路光的焦距一致，就可以保证三路光的放大倍率要求。在设计时以第一路蓝绿光为基准，通过ZEMAX软件设计计算，第二路红光的理论焦距与第一路蓝绿光的理论焦距近似，因此略微调整红光的后截距，改变红光光路的理论焦距，使其与第一路光的理论焦距相等；第三路近红外光后增加了一个平凸透镜，近红外光路的理论焦距调整到与第一路光焦距一致。此时第二路和第三路光的成像质量略微下降，但是依然满足成像要求。

使用LensFC-AT焦距仪对三路光的焦距测量，其测量结果如表3所示。从表中可以看出，以第一路焦距为基准，第一路焦距与第二路焦距之差为0.002 2，两路放大倍率差为0.000 07；第一路焦距与第二路焦距之差为0.000 8，两路放大倍率差为0.000 03。则满足三路光的放大倍率差小于0.000 1。

表3 各路光焦距的多次测量值

2.2 三路分光棱镜色选滤光膜的研制

棱镜的分色是通过光学薄膜实现的。根据棱镜分光系统的特点，需要保证三路光的准确性，同时又不能出现杂散光，分光光路图如图7所示。第一路光为400～570 nm，第二路光为610～700 nm，第三路光为750～930 nm。

对分光薄膜设计要求是：第一路光，入射角度θ0=23°，400～570 nm波段反射，要求反射波段反射率大于95%，610～930 nm波段透过，透过率大于95%；第二路光，入射角度θ0=11.5°，750～930 nm波段透过，透过率大于95%，610～700 nm波段反射，要求反射波段反射率大于95%；第三路光，750～930 nm波段透过，透过率大于95%。对于整个系统要求三路透过率大于80%。

根据设计要求，需要镀制增透膜和长波通滤光膜两种膜。基底材料为K9玻璃，选用Ti3O5和SiO2作为高低折射率的薄膜材料。利用TFC膜系设计软件进行膜系设计，采用成都西沃克700真空镀膜机进行镀制，实验制备主要的工艺参数如表 4所示［14-18］。

表4 Ti3O5和SiO2沉积工艺

利用UV-3150分光光度计分别对所镀制样品进行测试分析，得到的透过率测试曲线结果分别如图8—图12所示。

图8 在全光谱400～930 nm波段范围内单面增透膜的实测透过率曲线

图9 第一光路单面分光膜的实测透过率曲线

图10 第一光路400～570 nm波段范围内单面增透膜的实测透光率曲线

图11 第二光路单面分光膜的实测透光率曲线

图12 第二光路单面增透膜的实测透过率曲线

从图中可以看出，在全光谱400～930 nm范围内的平均透过率为97%，第一光路，分光膜在400～570 nm平均透过率为0.15%，610～930 nm平均透过率为98.4%，增透膜400～570 nm平均透过率为97%；第二光路，分光膜610～700 nm平均透过率0.03%，750～930 nm平均透过率为97.2%，增透膜610～700 nm平均透过率98.4%；第三光路，750～930 nm为97.2%，满足色选光学成像系统光谱使用要求。

3 实验结果分析

将所研制的分光器件放置于谷物色选镜头中进行验证，图13为所研制的色选光学镜头系统。色选能力主要取决于CCD棱镜相机光谱响应曲线与背景板光谱曲线的响应接近程度，如图14所示为CCD棱镜相机三路光谱响应曲线图，图14（a）为原理样机采集光谱响应曲线图，图14（b）为实验样机采集的光谱响应曲线。对比分析表明所研制的三路分光器件能够使CCD相机在400～930 nm有良好的分光效果，有效实现谷物色选。

图13 色选光学镜头

图14 CCD相机棱镜三路光谱响应曲线图

4 结论

本文研制了一种可见及近红外三路谷物色选光学成像系统分光器件。首先运用ZEMAX软件对整个光学系统进行设计，确定了分光器件的参数指标；然后采用不规则棱镜组合实现了光路折转；并采用光学薄膜实现400～570 nm、610～700 nm、750～930 nm三路光的分色，满足了多类谷物色选系统三路分光的要求。对所研制的分光器件进行系统测试，实验结果表明，三路分光器件能够区分、选别绝大多数的谷物中异色粒和杂质，解决了二路色选系统分选单一性、分选效果差、选净率低等方面的缺陷，提高了净选率。