基于光纖束傳像系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)的傳像系統(tǒng)易受電磁干擾的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了在特殊環(huán)境下使用的光纖束傳像系統(tǒng)。利用ZEMAX光學(xué)仿真軟件，設(shè)計出了一個工作波段為可見光，全視場80°，焦距為5mm的監(jiān)控物鏡，該物鏡各視場光學(xué)調(diào)制函數(shù)（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(zhì)量。采用加工的物鏡、選型轉(zhuǎn)接鏡及光纖束等核心器件，搭建了傳像系統(tǒng)。通過測試光纖束圖像傳輸系統(tǒng)的抗電磁干擾性能，采用高斯低通濾波結(jié)合DCT同態(tài)濾波算法有效去除圖像的像素，獲得了高質(zhì)量的信息傳輸。

關(guān)鍵詞：光纖束物鏡傳像系統(tǒng)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(yīng)用于工業(yè)化、醫(yī)學(xué)、等領(lǐng)域。例如在醫(yī)療領(lǐng)域中，由光纖束制備的各種醫(yī)用內(nèi)窺鏡，可以檢測器官組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于醫(yī)務(wù)人員對情做出準(zhǔn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(huán)境下使用，在電力設(shè)備內(nèi)部檢測中具有重大應(yīng)用潛力。

本文基于電力設(shè)備內(nèi)部檢測的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一套光纖束圖像傳輸系統(tǒng)。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(xué)仿真軟件設(shè)計和優(yōu)化符合所選光纖束參數(shù)特性的光學(xué)前成像物鏡。最后，利用加工后的物鏡、選定的過渡環(huán)境和光纖束等核心部件，建立了一套光纖束圖像傳輸系統(tǒng)。采用高斯低通濾波與DCT同態(tài)濾波相結(jié)合的方法對圖像進行去像素化處理，以增強圖像質(zhì)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(jù)光纖的導(dǎo)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(fā)生全反射，其中每根光纖都具有良好的光學(xué)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(shù)等于單根光纖的數(shù)量。光纖束傳像原理示意圖如圖1所示，圖中每個數(shù)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(shù)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(yè)有限公司提供的一款8mm×8mm的大截面產(chǎn)品，其長度為1200?mm，光纖束數(shù)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(fā)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(xué)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(tǒng)設(shè)計

2.1?光纖束傳像系統(tǒng)概述

光纖束傳像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，該系統(tǒng)主要由物鏡、耦合系統(tǒng)、光纖束、轉(zhuǎn)接境及CCD構(gòu)成。首先，光學(xué)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(xué)信息傳遞到轉(zhuǎn)接鏡的物面，即光纖束另一端面和轉(zhuǎn)接鏡的物面在同一位置；最后，轉(zhuǎn)接鏡將光信號耦合到CCD的感光面上，通過CCD完成光電轉(zhuǎn)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(shè)計

光學(xué)成像物鏡設(shè)計需要滿足光纖束的參數(shù)特性，其物距設(shè)為1m，視場角為80°，焦距為5mm，系統(tǒng)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(yīng)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(jié)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(tǒng)高質(zhì)量信息傳輸，物鏡的評價指標(biāo)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(shè)計成像方遠心光路。

確定好設(shè)計指標(biāo)和要求之后，就需要選擇合理的結(jié)構(gòu)，有效使用ZEMAX光學(xué)仿真軟件進行光學(xué)設(shè)計和優(yōu)化。優(yōu)化后的光路結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)由8枚鏡片構(gòu)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(qū)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(jié)構(gòu)，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(shè)計要求。

物鏡的點圖顯示，物點發(fā)射的光穿過光學(xué)系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)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(tǒng)比光纖束中單根光纖的直徑更小，光線更集中，成像質(zhì)量更好，滿足實際觀測需求。

3?光纖束傳像系統(tǒng)搭建及測試分析

3.1?傳像系統(tǒng)搭建

在光纖束圖像傳輸系統(tǒng)中，物鏡用于將監(jiān)控對象的信息收集到光纖束的入射端面，其成像質(zhì)量對傳像系統(tǒng)的整體成像質(zhì)量起著重要作用。實際加工的物鏡產(chǎn)品其總長度約54?mm。為驗證已加工物鏡的光學(xué)性能，采用光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀（ImageMaster??HR，北京全歐光學(xué)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(shè)定為無窮遠，測試類型設(shè)定為視場角，測試結(jié)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(shè)計要求[4]。

轉(zhuǎn)接鏡的物距設(shè)為35?mm，可減小系統(tǒng)的裝配難度，提高系統(tǒng)的靈活性；轉(zhuǎn)接鏡的相對照度設(shè)置為全視場大于0.9，以保證圖像傳輸?shù)紺CD時仍具有較高的照度；同時，為保證系統(tǒng)具有較高的成像質(zhì)量，轉(zhuǎn)接鏡各視場MTF值在150?lp/mm處應(yīng)大于0.3。根據(jù)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(xué)）作為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接鏡，其結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足實際需求。

將加工的物鏡、選型的轉(zhuǎn)接境、光纖束及其他核心器件進行組裝，完整系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖8（a）可以看出，包括前置成像模塊和后置轉(zhuǎn)換模塊，分別如圖8（c）、（d）所呈現(xiàn)。前置成像模塊包括耦合部件、固定環(huán)、物鏡等，通過三腳架固定放置；后置轉(zhuǎn)換模塊包括光纖束出射端、耦合部件、固定環(huán)、轉(zhuǎn)接鏡和CCD，并通過圖8（b）的機箱進行固定且封裝在機箱內(nèi)部。光纖束傳像系統(tǒng)只需將數(shù)據(jù)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(yōu)點[5]。

3.2?系統(tǒng)傳像測試分析

一般光纖束傳輸?shù)膱D像具有較大的像素化，對成像效果產(chǎn)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(biāo)（均值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均梯度和熵值）計算結(jié)果如表2所示，經(jīng)DCT同態(tài)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(tài)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(jié)合DCT同態(tài)濾波算法處理圖像，獲得的四個評價指標(biāo)均有所上升。

進一步對光纖束傳像系統(tǒng)進行抗電磁干擾性能測試，該實驗在電波暗室中進行，該環(huán)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(chǎn)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(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)膱D像效果并未產(chǎn)生明顯差異，計算得到兩幅圖的結(jié)構(gòu)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(tǒng)具有較好的抗電磁干擾能力[6]。

4?結(jié)論

基于電磁干擾環(huán)境中傳像需求，設(shè)計并研制了一套光纖束圖像傳輸系統(tǒng)。利用Zemax光學(xué)仿真軟件設(shè)計基于圖像立方體遠心光路的物鏡，經(jīng)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(jié)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(yōu)異的成像質(zhì)量。采用高斯低通濾波結(jié)合DCT同態(tài)濾波算法對該傳像系統(tǒng)采集到的圖像進行去像素化處理，其成像質(zhì)量得到大幅提升。進一步對光纖束傳像系統(tǒng)進行抗電磁干擾性能測試，測試結(jié)果表明該傳像系統(tǒng)具有優(yōu)異的抗電磁干擾能力。

參考文獻

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