成像微光度计光学设计与实现中几个问题的探讨

　 在红外静态技术参数测试系统研制过程中，利用Mintron MS-2821C面阵CCD图像传感器作为主要部件可构建成像微光度计测量采集系统。虽然已经有关于面阵CCD图像传感器的光学系统设计的报道[1]，但由于成像微光度计的测量环境和测试对象的特殊性，常规CCD光学镜头不能直接用于光度计，需要按照光学系统的设计原则并结合成像微光度计的用途进行相应设计和计算。本文从成像微光度计的功能入手，分析了光学系统的设计原则并确定了参数，最后对光学系统构建中的相关问题进行探讨。

二、成像微光度计的功能结构及测试原理

　 成像微光度计是红外静态技术参数测试系统的主要数据录取设备之一，是基于计算机技术和数字图像处理技术的光机电一体数据采集处理系统（其组成框图见图1），其主要作用是配合红外静态参数测试系统的其它分系统，在对红外热成像系统的参数测试中进行图像采集。

　被测试红外热成像系统在显示器上所成的图像经过成像微光度计光学系统在CCD光敏面上成像，接着经过光电转换、量化、转移、读出后，通过视频采集卡以模拟视频信号在计算机上输出。计算机可对标校系统、亮度调节系统进行控制，达到整体测试要求的条件后，测量系统同步采集数据并处理、计算后得到的测试数据。

　光学系统是进行图像采集和数据处理的前端，光学部件的性能参数直接决定整体系统测试数据采集的精度。进行科学的光学设计和选择合适的光学部件是进行高精度测量的前提。

三、对光学系统的设计原则和依据

　成像微光度计的光学系统（光学信号接收系统）包括成像物镜镜头、光圈、视觉校正器、减光器等。对光学系统的设计就是在满足总系统对成像微光度计的基本功能要求前提下，对光学系统进行参数设计和计算，使之达到工程要求。设计的主要原则和依据有：

(1) 各参数测试中的测量条件和参数测试精度要求；

(2) CCD接收光能性能的要求，其中包括成像特性的要求，即在一定相对孔径和给定视场下能理想的成像；

(3) 被测量对象的空间尺寸特性、物像共轭距离的要求，即根据测试条件确定成像范围；

(4) 系统分辨率要求，即系统能分辨光信号在空间、时间信号方面的细致程度。

四、成像微光度计光学参数分析和确定

　 由于成像微光度计在应用中需要进行有关尺寸的参数测量和计算，因此在系统结构上采取物方远心光路，光学系统设计简图如图2。

　这里分析以下基本参数和光学设计中的参数确定的依据。

1、像方焦距

　像方焦距f′的确定是光学系统设计的基本前提，设计时需要考虑光路的组成、光路布置以及中性滤光片、视觉校正片、镜头的实际设计和加工制作工艺。

2、放大率

光学系统放大率计算公式为：

b=y′/y （1）

式中，y′?DCCD像面上成的像的大小；

y?D屏幕发光面的物的大小。

光度计放大率的确定跟被测屏幕的测量区域和CCD光敏面的空间尺寸、CCD的分辨率、要求的光度计系统的分辨率等因素密切相关。

根据GJB2340-95（《军用热像仪通用规范》）中对热像仪畸变和均匀性测量要求，将被测量荧光屏分为至少5个区域，以9??～15??显示器为例并考虑一定余量，将满屏的1/6作为视场测量区域，这样根据CCD光敏面的尺寸确定放大率的数值。

3、分辨率

设计中考虑了选用的CCD的极限分辨率。CCD的原分辨率主要取决于单位面积CCD像素数目和信号传输效率的影响，即CCD的单位光敏元（像元）尺寸wh×wv决定成像微光度计系统的极限分辨率。面阵CCD是离散采样器件，为保证所采集 LSF数据能被复原，采样点数理论最高空间频率极限f0满足奈奎斯特采样定理：

2f0=1/Dx （2）

式中，Dx?D空间采样间距。

为了保证信号质量，取采样信号的频率为被测信号频率的2倍， 实际中按CCD 的空间频率的5到10倍来取 采样信号，以确保采样不受混叠的影响，同时按照面阵探测器水平和垂直瞬时视场IFOV的倒数的二分之一大小来取分辨率：

N=1/(2w)（p/mm） （3）

在水平和垂直方向的角分辨率为[4]： （mrad） （4）

（mrad） （5）

式中，f′?D系统像方焦距；

Dx、Dy?DCCD光敏面单个接收像元的尺寸。

考虑光学系统对系统分辨率的贡献，成像微光度计系统总的分辨率有：

（6）

式中，Nopt?D光学系统的分辨率；

NCCD?DCCD的极限分辨率。

考虑实际工程实现的难度，NCCD选取平常值的2～3倍。

4、相对孔径D/f′

此参数根据光学系统中对光能的要求和对细节的分辨能力的要求来确定，此外还需要考虑视场中分辨率、畸变、景深、像质等要求。

摄影物镜的分辨率由衍射极限和瑞利准则定义，理想分辨率s和物镜的相对孔径D/f′关系 [4]为：

（7）

式中，l?D入射光波长，l=555nm；

n?D折射率。

这样，在CCD像面上的光照度有[5]：

（8）

式中，E?DCCD像面上的光照度；

t1、t1?D光学系统透过率；

w?D视场角；

S1?D被测荧光屏面积；

S2?DCCD靶面成像面积。

　在本红外静态参数测试系统中，成像微光度计基本的测试对象是红外热像仪的显示器，因此亮度变化较小，测试过程中主要以暗背景环境为主，设计中采用大通光孔径镜头。另外，考虑到测试热像仪调制传递函数（MTF）的需要，以中性滤光片转换作为光度衰减和调节手段，不采取变换光圈的方法。

5、视场

　视场参数的设计中综合考虑了视场中光照度均匀性要求、畸变、像差等方面的影响。

基于面阵CCD光敏面的视场大小和放大率因素，按照如下公式计算：

（9）

（10）

　 式中，a、b?D面阵CCD光敏面的尺寸；

2wx、2wy?Dx、y方向的视场角。

　 考虑像面照度均匀性要求，视场轴外照度E′和视场中心照度E的比值为[5]：

（11）

　 在系统设计中要求视场边缘与中心照度的偏差小于2%，则w小于5°即2w小于10°

五、光学系统设计的条件和参数测试结果

1、光学系统设计的基本前提条件

物距：200mm～400mm；

面阵CCD有效像素数：752(水平)×582(垂直)；

像素尺寸：8.6mm×8.3mm；

最小照度：0.02 lx；

面阵CCD光敏面尺寸：6.4mm×4.8mm。

2、实际参数测试结果：

畸变：小于0.6%；

调焦范围：大于30mm；

镜头分辨率：大于110lp/mm。

六、结束语

　 在光学系统设计中，由于系统性能和制作工艺等方面的影响，各个基本参数都是相互制约的。通过整体设计，可使得各个光学部件在性能上能够相互配合；选择合适的光学结构参数和光学元器件，可以使预定的技术要求在最大限度上得以实现。

　面阵CCD已经越来越多的应用到光电测试和图象采集的各个领域，我们相信，通过对基于面阵CCD的成像微光度计光学系统的分析和设计，本文将会对面阵CCD在其它领域的设计和应用提供有益的帮助。