成像微光度计光学设计与实现中几个问题的探讨

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表:2007-07-02 人气:2

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一、前言　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）

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