近年來，隨著紅外探測器技術及其加工工藝的發展與完善，紅外光學系統在機器視覺領域的應用日益廣泛，可見光和短波紅外是目前較為常用的光電成像波段。短波紅外主要來自于地物目標反射環境中的紅外輻射，具有較強的抗干擾能力，兼具隱蔽性好、不受光照條件限制的優點。但紅外成像系統存在空間分辨率低、對比度弱、立體感差和信噪比低的缺點。因此，在光照條件差的情況下利用紅外光成像實現對目標的觀測，彌補可見光在差光照條件下的缺陷；在光照條件好的情況下利用可見光成像實現對目標的高分辨率觀測，同時利用紅外光獲取目標更詳細的信息。

據麥姆斯咨詢報道，近期，南通大學、西安交通大學、南京華群光電技術有限公司和中國科學院西安光學精密機械研究所的聯合科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“寬光譜可見-短波紅外成像光學系統設計”為主題的文章。該文章第一作者為南通大學宣斌副研究員，主要從事精密光學加工和檢測的研究工作；通訊作者為中國科學院西安光學精密機械研究所王亞軍副研究員，主要從事圖書情報的研究工作。

本文結合機器視覺工程應用需要，使用光學設計軟件ZEMAX設計了一種寬光譜可見-短波紅外成像光學系統。

光學系統選型

光學系統結構選型

光學系統結構的選擇與該系統的應用場景密切相關，在機器視覺領域中，短波紅外波段的成像系統往往具有大視場、小畸變和成像質量穩定的特點。合理地選擇光學系統結構能夠降低設計的復雜度。常用的光學系統結構分折射系統、反射系統、混合系統三類，不同的光學系統結構各有優劣。

（1）折射式光學系統結構。折射式系統通過透過光經折射后進行觀察，是光學結構選型中較為廣泛使用的形式。按照常規的加工、裝調手段即可達到精度的要求，具有像質穩定、雜光小、元件透過率高的特點。但折射式系統容易產生像差，在可用于寬譜段下的透射材料種類相對有限。典型的折射式光學結構如圖1所示。

圖1 折射式光學系統結構

（2）反射式光學系統結構。反射式系統通過反射附件，用反射光來觀察，廣泛應用于紅外熱成像領域中。具有無色差、工作波段寬、易于實現無熱化等特點。但反射結構增加了光學系統體積，同軸反射系統的中心遮攔造成了光通量的損失，降低了系統的調制傳遞函數和信噪比；離軸反射系統解決了遮攔問題，但給系統裝調造成困難。典型的兩種反射式光學系統結構如圖2所示。

圖2 反射式光學系統示意圖

（3）折反射式光學系統結構。折反射式光學系統是將折射式和反射式的特點相結合設計，來實現實際工程的需要。綜合了不同光學系統結構的優勢，能夠降低光學系統結構復雜性和像差校正的難度。但其中非球面的反射鏡加工難度大，成本高，穩定性差，而且非球面和衍射元件的精細結構增加了相機加工裝調的難度。典型的折反射式光學系統結構如圖3所示。

圖3 折反射式光學系統結構

綜上所述，針對文中的寬光譜可見-短波紅外成像光學系統作為機器視覺檢測的工業鏡頭，應盡量滿足輕量化和大視場的設計要求，同時還要保持較高的光通量。反射式結構的軸外像差校正困難，視場難以做大；折反式結構次鏡形成中心遮攔，并隨著視場和相對孔徑的增大，遮攔比迅速增加，使成像對比度、分辨率及探測能力下降。無論是考慮成像性能還是性價比，折射式系統都是本例大視場、低畸變、結構緊湊的理想選擇。

非球面面型參數的求解

非球面光學元件是指面形由多項高次方程決定、面形上各點的半徑均不相同的光學元件。雖然非球面的加工制造比較困難，但具有明顯的消除單色像差的效果，在機器視覺檢測的工業鏡頭中也應用的越來越廣泛。非球面與球面相比有很大的優勢：非球面可以提高系統的相對口徑比，擴大視場角，在提高光束質量的同時透鏡數比球面構成的少，鏡頭的形狀小型化，可減輕系統質量等。

系統光學設計

鏡頭總體設計指標及初始結構確定

一個光學系統的設計一般分為以下幾步：（1）確定光學系統的結構參數；（2）利用PW方法求解初始結構參數或選擇已有相應的初始結構參數；（3）像差校正；（4）像質評價；（5）確定各光學元件的公差；（6）繪制光學系統圖和光學組件零件圖。

根據實際應用的情況，寬光譜可見-短波紅外成像光學系統結構設計中主要考慮的參數有：透鏡材料、工作波段、焦距、F數、視場角、系統總長等。通過對寬譜段紅外成像系統參數的分析，最終光學系統選擇折射式結構，采用分辨率為2448 pixel×2048 pixel的CMOS面陣探測器，像元大小為3.45 μm，靶面尺寸為2/3 in（1 in=2.54 cm），鏡頭在0~50 ℃工作溫度范圍內具有穩定的光學性能和良好的成像質量。光學系統性能參數如表1所示。

表1 光學系統性能參數

一個良好的初始結構能夠使像差在校正過程迅速收斂，光學設計中第一個關鍵步驟就是如何選擇合適的初始結構，如果已知光學系統的結構參數等信息，則可以通過對光學系統進行光線追跡、計算像差和成像質量的評價。當光學系統較為簡單時，根據相關的初始系統設計指標，利用賽德爾像差理論建立像差平衡方程和PW法來求解初始結構。隨著計算機輔助優化技術的發展，現代光學設計軟件中內置了大量的光學系統模型，當光學系統較為復雜時，根據焦距、相對孔徑等參數就可以對比出與初始系統設計指標相近的初始結構，此次設計查詢了相關專利，采用第二種方法來確定系統的初始結構。

像差校正及優化評價

系統初始結構確定后，最終得到成像性能好的系統，需要經過后續反復像差校正過程，同時也需要對其結構進一步優化，具體的優化設計過程如下。

根據表1給出的光學設計指標，通過改變鏡頭諸面的面型參數改變透鏡的厚度及透鏡之間的間隔，通過更換透鏡材料來使得鏡頭的像差逐步減小。在光學設計軟件ZEMAX中設置透鏡的曲率半徑和厚度、系統焦距和長度、透鏡間距等參數為變量，采用ZEMAX默認的優化評價函數，只添加一階光學參數限制，采用變量從少到多、階數從低到高的方式漸進優化。在每一步優化完成后，觀察每次優化后系統各類像差的變化情況，增加對系統成像性能貢獻較大像差項操作數的權重系數，對其有針對性地優化，判斷是否需要繼續增加優化變量，最終設計出滿足系統各項指標的光學系統。

優化完成后的寬光譜可見-短波紅外成像光學系統結構如圖4所示。系統可對可見光和短波紅外波段進行成像，采用7組共10片透鏡，光闌位于第4片透鏡的后表面，第10片透鏡的前表面采用非球面。系統總長為79.6 mm，入瞳直徑為9.9 mm，F數為2.8。

圖4 光學系統結構圖

圖5所示為寬光譜可見-短波紅外成像系統的點列圖，從圖中可以看出，RMS半徑最大為5.623 μm，GEO半徑最大為26.431 μm。點列圖中的彌散斑半徑越小，光學系統的成像質量越好。5個視場的點列圖都很接近艾里斑，接近衍射極限，滿足成像要求。

圖5 光學系統點列圖

圖6所示為寬光譜可見-短波紅外成像系統的調制函數曲線，光學傳遞函數是目前被公認的最能充分反映系統實際成像質量的評價指標。在奈奎斯特頻率100 lp/mm時，各視場的MTF值均高于0.4，接近衍射極限，成像質量良好。

圖6 調制傳遞函數曲線

圖7所示為寬光譜可見-短波紅外成像系統的像散、場曲和畸變曲線。從圖中可以看出，其最大像散和場曲為0.1 mm，最大畸變為1.4%，數值非常小，滿足系統設計對場曲和畸變的要求。

圖7 像散、場曲及畸變曲線

可行性分析

公差分析

系統設計完成后需要對其進行公差分析，把實際加工、裝調時所產生的相關誤差考慮進去，給予一定的公差分量。在該系統的公差分析過程中，需要給所有光學元件分配合理的公差，使光學探測系統的探測性能達到要求，并使光學元件的成本、裝配和校準的成本達到最低，從而使整個系統的性能達到最優。

按照經驗及實際工藝水平，先給出較為寬松的各參量公差預定值，對設計結果進行公差分析，找出特別敏感的公差，對其進行重新分配。圖8所示為預設公差值。

圖8 預設公差值

以衍射MTF平均為評價標準進行系統的公差分析，圖9為進行100次蒙特卡洛分析的MTF曲線圖，表2為進行公差優化后的蒙特卡洛分析結果。分析表明：在100 lp/mm時，MTF的名義值為0.559，最佳0.554，最差0.333，平均0.481，標準偏差0.052；90%的鏡頭MTF≥0.410，50%的鏡頭MTF≥0.427，10%的鏡頭MTF≥0.540。由此可以看出，MTF在所給公差下滿足技術指標要求。

圖9 蒙特卡洛分析MTF曲線圖

表2 蒙特卡洛分析結果

實驗論證

在實際檢測過程中，整個系統由光源、鏡頭、相機、圖像處理單元、圖像處理軟件和輸出單元等組成。為進一步驗證所設計的光學系統的成像性能，經過在實驗室的成像觀察對比如圖10所示。第一幅對比：圖10（b1）是農產品通過可見光波段的相機拍攝的效果，圖10（a1）是在短波紅外相機下的效果，農產品內部的瘀傷能被短波紅外穿透表皮探測到，而這在人眼是看不到的。這是由于當水果在碰傷時細胞壁會破裂，該區域的水分含量更高，瘀傷中的水幾乎都是黑色的，因為它在1450~1900 nm都有很強的吸附性，這種吸附性使得通過SWIR成像能在成像的物體圖像中清晰看到瘀傷。第二幅對比：圖10（b2）是在可見波長上不透明的塑料，圖10（a2）是在SWIR范圍內變成半透明的塑料，SWIR這種光穿透塑料的能力為檢測密封塑料容器內的產品體積提供了新的方法。

圖10 短波紅外-可見光成像對比圖

結論

隨著機器視覺對復合圖像信息需求的增長，現代光學成像技術必然向可見光近紅外波段之外擴展，短波紅外因其媲美可見光的分辨率和獨特的光學性能在未來將得到更加廣泛的應用。文中設計了一種能夠在0.4~1.7 μm波段下工作的寬光譜可見-短波紅外成像系統，該系統由7組10片透鏡組成，調制傳遞函數值在奈奎斯特頻率100 lp/mm處均大于0.4，系統F數為2.8，畸變小于1.4%，各種像差都得到了較好的校正和平衡，具有較好的成像性能。所討論的方法對今后設計類似的光學系統具有一定的參考價值。

編輯：黃飛

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