在紅外靜態(tài)技術(shù)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)研制過(guò)程中，利用Mintron MS-2821C面陣CCD圖像傳感器作為主要部件可構(gòu)建成像微光度計(jì)測(cè)量采集系統(tǒng)。雖然已經(jīng)有關(guān)于面陣CCD圖像傳感器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)道[1]，但由于成像微光度計(jì)的測(cè)量環(huán)境和測(cè)試對(duì)象的特殊性，常規(guī)CCD光學(xué)鏡頭不能直接用于光度計(jì)，需要按照光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則并結(jié)合成像微光度計(jì)的用途進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)和計(jì)算。本文從成像微光度計(jì)的功能入手，分析了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則并確定了參數(shù)，最后對(duì)光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。

二、成像微光度計(jì)的功能結(jié)構(gòu)及測(cè)試原理

　 成像微光度計(jì)是紅外靜態(tài)技術(shù)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)錄取設(shè)備之一，是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的光機(jī)電一體數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)（其組成框圖見(jiàn)圖1），其主要作用是配合紅外靜態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的其它分系統(tǒng)，在對(duì)紅外熱成像系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)試中進(jìn)行圖像采集。

　被測(cè)試紅外熱成像系統(tǒng)在顯示器上所成的圖像經(jīng)過(guò)成像微光度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)在CCD光敏面上成像，接著經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、量化、轉(zhuǎn)移、讀出后，通過(guò)視頻采集卡以模擬視頻信號(hào)在計(jì)算機(jī)上輸出。計(jì)算機(jī)可對(duì)標(biāo)校系統(tǒng)、亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制，達(dá)到整體測(cè)試要求的條件后，測(cè)量系統(tǒng)同步采集數(shù)據(jù)并處理、計(jì)算后得到的測(cè)試數(shù)據(jù)。

　光學(xué)系統(tǒng)是進(jìn)行圖像采集和數(shù)據(jù)處理的前端，光學(xué)部件的性能參數(shù)直接決定整體系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集的精度。進(jìn)行科學(xué)的光學(xué)設(shè)計(jì)和選擇合適的光學(xué)部件是進(jìn)行高精度測(cè)量的前提。

三、對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和依據(jù)

　成像微光度計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)（光學(xué)信號(hào)接收系統(tǒng)）包括成像物鏡鏡頭、光圈、視覺(jué)校正器、減光器等。對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是在滿足總系統(tǒng)對(duì)成像微光度計(jì)的基本功能要求前提下，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和計(jì)算，使之達(dá)到工程要求。設(shè)計(jì)的主要原則和依據(jù)有：

(1) 各參數(shù)測(cè)試中的測(cè)量條件和參數(shù)測(cè)試精度要求；

(2) CCD接收光能性能的要求，其中包括成像特性的要求，即在一定相對(duì)孔徑和給定視場(chǎng)下能理想的成像；

(3) 被測(cè)量對(duì)象的空間尺寸特性、物像共軛距離的要求，即根據(jù)測(cè)試條件確定成像范圍；

(4) 系統(tǒng)分辨率要求，即系統(tǒng)能分辨光信號(hào)在空間、時(shí)間信號(hào)方面的細(xì)致程度。

四、成像微光度計(jì)光學(xué)參數(shù)分析和確定

　 由于成像微光度計(jì)在應(yīng)用中需要進(jìn)行有關(guān)尺寸的參數(shù)測(cè)量和計(jì)算，因此在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采取物方遠(yuǎn)心光路，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖2。

　這里分析以下基本參數(shù)和光學(xué)設(shè)計(jì)中的參數(shù)確定的依據(jù)。

1、像方焦距

　像方焦距f′的確定是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本前提，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮光路的組成、光路布置以及中性濾光片、視覺(jué)校正片、鏡頭的實(shí)際設(shè)計(jì)和加工制作工藝。

2、放大率

光學(xué)系統(tǒng)放大率計(jì)算公式為：

b=y′/y （1）

式中，y′?DCCD像面上成的像的大小；

y?D屏幕發(fā)光面的物的大小。

光度計(jì)放大率的確定跟被測(cè)屏幕的測(cè)量區(qū)域和CCD光敏面的空間尺寸、CCD的分辨率、要求的光度計(jì)系統(tǒng)的分辨率等因素密切相關(guān)。

根據(jù)GJB2340-95（《軍用熱像儀通用規(guī)范》）中對(duì)熱像儀畸變和均勻性測(cè)量要求，將被測(cè)量熒光屏分為至少5個(gè)區(qū)域，以9??～15??顯示器為例并考慮一定余量，將滿屏的1/6作為視場(chǎng)測(cè)量區(qū)域，這樣根據(jù)CCD光敏面的尺寸確定放大率的數(shù)值。

3、分辨率

設(shè)計(jì)中考慮了選用的CCD的極限分辨率。CCD的原分辨率主要取決于單位面積CCD像素?cái)?shù)目和信號(hào)傳輸效率的影響，即CCD的單位光敏元（像元）尺寸wh×wv決定成像微光度計(jì)系統(tǒng)的極限分辨率。面陣CCD是離散采樣器件，為保證所采集 LSF數(shù)據(jù)能被復(fù)原，采樣點(diǎn)數(shù)理論最高空間頻率極限f0滿足奈奎斯特采樣定理：

2f0=1/Dx （2）

式中，Dx?D空間采樣間距。

為了保證信號(hào)質(zhì)量，取采樣信號(hào)的頻率為被測(cè)信號(hào)頻率的2倍， 實(shí)際中按CCD 的空間頻率的5到10倍來(lái)取 采樣信號(hào)，以確保采樣不受混疊的影響，同時(shí)按照面陣探測(cè)器水平和垂直瞬時(shí)視場(chǎng)IFOV的倒數(shù)的二分之一大小來(lái)取分辨率：

N=1/(2w)（p/mm） （3）

在水平和垂直方向的角分辨率為[4]： （mrad） （4）

（mrad） （5）

式中，f′?D系統(tǒng)像方焦距；

Dx、Dy?DCCD光敏面單個(gè)接收像元的尺寸。

考慮光學(xué)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)分辨率的貢獻(xiàn)，成像微光度計(jì)系統(tǒng)總的分辨率有：

（6）

式中，Nopt?D光學(xué)系統(tǒng)的分辨率；

NCCD?DCCD的極限分辨率。

考慮實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)的難度，NCCD選取平常值的2～3倍。

4、相對(duì)孔徑D/f′

此參數(shù)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)光能的要求和對(duì)細(xì)節(jié)的分辨能力的要求來(lái)確定，此外還需要考慮視場(chǎng)中分辨率、畸變、景深、像質(zhì)等要求。

攝影物鏡的分辨率由衍射極限和瑞利準(zhǔn)則定義，理想分辨率s和物鏡的相對(duì)孔徑D/f′關(guān)系 [4]為：

（7）

式中，l?D入射光波長(zhǎng)，l=555nm；

n?D折射率。

這樣，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光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率；

w?D視場(chǎng)角；

S1?D被測(cè)熒光屏面積；

S2?DCCD靶面成像面積。

　在本紅外靜態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)中，成像微光度計(jì)基本的測(cè)試對(duì)象是紅外熱像儀的顯示器，因此亮度變化較小，測(cè)試過(guò)程中主要以暗背景環(huán)境為主，設(shè)計(jì)中采用大通光孔徑鏡頭。另外，考慮到測(cè)試熱像儀調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）的需要，以中性濾光片轉(zhuǎn)換作為光度衰減和調(diào)節(jié)手段，不采取變換光圈的方法。

5、視場(chǎng)

　視場(chǎng)參數(shù)的設(shè)計(jì)中綜合考慮了視場(chǎng)中光照度均勻性要求、畸變、像差等方面的影響。

基于面陣CCD光敏面的視場(chǎng)大小和放大率因素，按照如下公式計(jì)算：

（9）

（10）

　 式中，a、b?D面陣CCD光敏面的尺寸；

2wx、2wy?Dx、y方向的視場(chǎng)角。

　 考慮像面照度均勻性要求，視場(chǎng)軸外照度E′和視場(chǎng)中心照度E的比值為[5]：

（11）

　 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求視場(chǎng)邊緣與中心照度的偏差小于2%，則w小于5°即2w小于10°

五、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的條件和參數(shù)測(cè)試結(jié)果

1、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本前提條件

物距：200mm～400mm；

面陣CCD有效像素?cái)?shù)：752(水平)×582(垂直)；

像素尺寸：8.6mm×8.3mm；

最小照度：0.02 lx；

面陣CCD光敏面尺寸：6.4mm×4.8mm。

2、實(shí)際參數(shù)測(cè)試結(jié)果：

畸變：小于0.6%；

調(diào)焦范圍：大于30mm；

鏡頭分辨率：大于110lp/mm。

六、結(jié)束語(yǔ)

　 在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)性能和制作工藝等方面的影響，各個(gè)基本參數(shù)都是相互制約的。通過(guò)整體設(shè)計(jì)，可使得各個(gè)光學(xué)部件在性能上能夠相互配合；選擇合適的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)元器件，可以使預(yù)定的技術(shù)要求在最大限度上得以實(shí)現(xiàn)。

　面陣CCD已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用到光電測(cè)試和圖象采集的各個(gè)領(lǐng)域，我們相信，通過(guò)對(duì)基于面陣CCD的成像微光度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，本文將會(huì)對(duì)面陣CCD在其它領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有益的幫助。