在紅外靜態(tài)技術(shù)參數(shù)測試系統(tǒng)研制過程中，利用Mintron MS-2821C面陣CCD圖像傳感器作為主要部件可構(gòu)建成像微光度計測量采集系統(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)計的報道[1]，但由于成像微光度計的測量環(huán)境和測試對象的特殊性，常規(guī)CCD光學(xué)鏡頭不能直接用于光度計，需要按照光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計原則并結(jié)合成像微光度計的用途進行相應(yīng)設(shè)計和計算。本文從成像微光度計的功能入手，分析了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計原則并確定了參數(shù)，最后對光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建中的相關(guān)問題進行探討。

二、成像微光度計的功能結(jié)構(gòu)及測試原理

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

　被測試紅外熱成像系統(tǒng)在顯示器上所成的圖像經(jīng)過成像微光度計光學(xué)系統(tǒng)在CCD光敏面上成像，接著經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、量化、轉(zhuǎn)移、讀出后，通過視頻采集卡以模擬視頻信號在計算機上輸出。計算機可對標校系統(tǒng)、亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行控制，達到整體測試要求的條件后，測量系統(tǒng)同步采集數(shù)據(jù)并處理、計算后得到的測試數(shù)據(jù)。

　光學(xué)系統(tǒng)是進行圖像采集和數(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)測試數(shù)據(jù)采集的精度。進行科學(xué)的光學(xué)設(shè)計和選擇合適的光學(xué)部件是進行高精度測量的前提。

三、對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計原則和依據(jù)

　成像微光度計的光學(xué)系統(tǒng)（光學(xué)信號接收系統(tǒng)）包括成像物鏡鏡頭、光圈、視覺校正器、減光器等。對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計就是在滿足總系統(tǒng)對成像微光度計的基本功能要求前提下，對光學(xué)系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)計和計算，使之達到工程要求。設(shè)計的主要原則和依據(jù)有：

(1) 各參數(shù)測試中的測量條件和參數(shù)測試精度要求；

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

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

(4) 系統(tǒng)分辨率要求，即系統(tǒng)能分辨光信號在空間、時間信號方面的細致程度。

四、成像微光度計光學(xué)參數(shù)分析和確定

　 由于成像微光度計在應(yīng)用中需要進行有關(guān)尺寸的參數(shù)測量和計算，因此在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采取物方遠心光路，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計簡圖如圖2。

　這里分析以下基本參數(shù)和光學(xué)設(shè)計中的參數(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)計的基本前提，設(shè)計時需要考慮光路的組成、光路布置以及中性濾光片、視覺校正片、鏡頭的實際設(shè)計和加工制作工藝。

2、放大率

光學(xué)系統(tǒng)放大率計算公式為：

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。

光度計放大率的確定跟被測屏幕的測量區(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》）中對熱像儀畸變和均勻性測量要求，將被測量熒光屏分為至少5個區(qū)域，以9??～15??顯示器為例并考慮一定余量，將滿屏的1/6作為視場測量區(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像素數(shù)目和信號傳輸效率的影響，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。

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

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光敏面單個接收像元的尺寸。

考慮光學(xué)系統(tǒng)對系統(tǒng)分辨率的貢獻，成像微光度計系統(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。

考慮實際工程實現(xiàn)的難度，NCCD選取平常值的2～3倍。

4、相對孔徑D/f′

此參數(shù)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)中對光能的要求和對細節(jié)的分辨能力的要求來確定，此外還需要考慮視場中分辨率、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則定義，理想分辨率s和物鏡的相對孔徑D/f′關(guān)系 [4]為：

（7）

式中，l?D入射光波長，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)透過率；

w?D視場角；

S1?D被測熒光屏面積；

S2?DCCD靶面成像面積。

　在本紅外靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)中，成像微光度計基本的測試對象是紅外熱像儀的顯示器，因此亮度變化較小，測試過程中主要以暗背景環(huán)境為主，設(shè)計中采用大通光孔徑鏡頭。另外，考慮到測試熱像儀調(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

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

基于面陣CCD光敏面的視場大小和放大率因素，按照如下公式計算：

（9）

（10）

　 式中，a、b?D面陣CCD光敏面的尺寸；

2wx、2wy?Dx、y方向的視場角。

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

（11）

　 在系統(tǒng)設(shè)計中要求視場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)計的條件和參數(shù)測試結(jié)果

1、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的基本前提條件

物距：200mm～400mm；

面陣CCD有效像素數(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、實際參數(shù)測試結(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

　 在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，由于系統(tǒng)性能和制作工藝等方面的影響，各個基本參數(shù)都是相互制約的。通過整體設(shè)計，可使得各個光學(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現(xiàn)。

　面陣CCD已經(jīng)越來越多的應(yīng)用到光電測試和圖象采集的各個領(lǐng)域，我們相信，通過對基于面陣CCD的成像微光度計光學(xué)系統(tǒng)的分析和設(shè)計，本文將會對面陣CCD在其它領(lǐng)域的設(shè)計和應(yīng)用提供有益的幫助。