【產(chǎn)品與技術(shù)】利用棱鏡分光的三傳感器短波紅外相機(jī)
 

福特科 李宇航

      短波紅外波段（簡(jiǎn)稱SWIR，通常指0.9~1.7μm波長(zhǎng)的光線）能夠呈現(xiàn)出許多人眼無(wú)法觀察到的圖像，在工業(yè)分選領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。例如，不同種類、品質(zhì)的廢舊塑料、堅(jiān)果殼仁、茶葉、谷物等物體，在可見(jiàn)光下無(wú)明顯的外觀差異，卻在短波紅外波段的不同光譜中呈現(xiàn)不同的吸收、透過(guò)特性，經(jīng)紅外相機(jī)拍攝接收到不同的響應(yīng)信號(hào)后，利用事先對(duì)相應(yīng)特性的光譜圖像的研究結(jié)果，即可對(duì)產(chǎn)品的屬性做出篩選。

          由于物體在短波紅外波段的不同波長(zhǎng)處有不同的光譜響應(yīng)特征，在某些分選場(chǎng)景下，需要對(duì)不同波長(zhǎng)范圍進(jìn)行分別成像，采集相應(yīng)的光譜特征，從而對(duì)物體特性做出更準(zhǔn)確的判斷。這時(shí)候可以采取三路分立的、不同發(fā)光波長(zhǎng)的紅外光源對(duì)物體逐一進(jìn)行照明，相機(jī)分別捕捉到三次信號(hào)，這種方法的問(wèn)題是三次信號(hào)的捕捉不可能在同一時(shí)間進(jìn)行，拍攝的圖像會(huì)有所差異。另外一種方式是采用三臺(tái)配備不同波段濾光片的短波紅外相機(jī)，同時(shí)拍攝被檢物體，采集三個(gè)波段同一時(shí)刻的反射、透射信號(hào)，但這種方式最大的問(wèn)題是三個(gè)鏡頭拍攝的圖像存在因拍攝方位不同引起的視差，影像圖像的識(shí)別判定。

      為此，我們開(kāi)發(fā)了利用棱鏡分光的單鏡頭三傳感器短波紅外相機(jī)系統(tǒng)，解決上述兩種方案存在的弊病。   

技術(shù)原理

      該系統(tǒng)主要由短波紅外鏡頭、三膠合分光棱鏡、帶通濾光片及三個(gè)圖像傳感器組成，如圖1。短波紅外鏡頭負(fù)責(zé)采集0.9~1.7μm波段的光線信號(hào)，將其傳輸?shù)饺z合分光棱鏡中，再利用分光棱鏡各表面的鍍膜或全反射特性，將0.9~1.7μm的光譜細(xì)分為三個(gè)波段，分別反射到棱鏡的三個(gè)出光面。在棱鏡的出光面處各置一窄帶濾光片，對(duì)特定的波長(zhǎng)進(jìn)行選通，最終，鏡頭采集到的短波紅外波段下三個(gè)不同波長(zhǎng)的圖像信號(hào)，分別進(jìn)入了三個(gè)傳感器。

圖 1

     需要指出的是，三個(gè)傳感器相對(duì)于棱鏡的位置并非是隨意安放的，而是通過(guò)精密裝調(diào)，達(dá)到各傳感器中心軸與鏡頭光軸共軸的效果，所以三個(gè)傳感器接收到的圖像內(nèi)容是完全一致的，不存在視差。通過(guò)后期算法的融合，三路圖像信號(hào)可以疊加融合為一個(gè)畫(huà)面。和單鏡頭單傳感器的方案相比，核心的不同點(diǎn)在于，系統(tǒng)可以對(duì)三個(gè)不同波長(zhǎng)的光譜信號(hào)分別進(jìn)行獨(dú)立的處理分析，根據(jù)不同波長(zhǎng)下的光譜特征，對(duì)物體屬性做出更精確的分選判斷。    

具體實(shí)施方式

     針對(duì)0.9~1.7μm波段專門設(shè)計(jì)了寬光譜共焦的短波紅外鏡頭，對(duì)該波段的軸向色差、垂軸色差進(jìn)行了校正，作為工業(yè)檢測(cè)鏡頭，光學(xué)畸變控制在1%以內(nèi)。由于鏡頭后方需要放置分光棱鏡，所以鏡頭的光學(xué)后焦長(zhǎng)于常規(guī)鏡頭，這是本項(xiàng)目鏡頭設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，其像差是結(jié)合棱鏡引入的像差后綜合校正的。設(shè)計(jì)完成后，鏡頭能夠覆蓋φ15mm的成像圓，匹配7μm傳感器，MTF達(dá)到了70lp/mm，鏡頭的MTF、點(diǎn)列斑等圖表見(jiàn)圖2。

      鏡頭的鍍膜采用900~1700nm的寬帶增透膜，且光路采用主動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)，在-10~60℃環(huán)境下畫(huà)面清晰度均不會(huì)有明顯變化，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

圖 2

      如圖3所示，棱鏡采用三膠合形式，通過(guò)在S2、S5兩個(gè)分光面設(shè)計(jì)特殊的分光膜層，將整個(gè)短波紅外波段分為900-1150nm、1150nm-1400nm、1400-1700nm三個(gè)小波段，分別進(jìn)入S3、S7、S8三個(gè)出光面。S1面鍍制的是0.9~1.7μm整個(gè)波段的寬帶增透膜，S3、S7、S8面則分別鍍制對(duì)應(yīng)出光波段的增透膜。S2和S5面反射的光線分別到達(dá)S1和S4面時(shí)，利用全反射再次反射到S3和S7面

圖 3

      在棱鏡的三個(gè)出光方向分別放置三塊傳感器，將鏡頭對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)進(jìn)行拍照。若不對(duì)傳感器位置進(jìn)行精密調(diào)校，三個(gè)傳感器的成像區(qū)域中心和鏡頭光軸不會(huì)嚴(yán)格重合，拍攝到的三幅畫(huà)面不會(huì)完全一樣，圖像無(wú)法融合，更無(wú)法對(duì)被攝物體光譜特性展開(kāi)進(jìn)一步分析。需要先鎖定第一塊傳感器，微調(diào)第二塊傳感器位置，使其圖像和第一塊傳感器的圖像完全重合，然后鎖定第二塊傳感器。再用同樣的方法微調(diào)、鎖定第三塊傳感器，最終使整套短波紅外相機(jī)系統(tǒng)達(dá)到共軸重合的狀態(tài)。以上調(diào)校是通過(guò)專門設(shè)計(jì)的靶標(biāo)以及微調(diào)工裝實(shí)現(xiàn)的，重合精度可以達(dá)到0.3個(gè)像素以內(nèi)。

      在傳感器和棱鏡之間留有足夠的空氣隙，此處在機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了可替換濾光片的的插槽，根據(jù)不同的待檢物體所需要的特征波長(zhǎng)，可以在插槽內(nèi)更換不同波長(zhǎng)的帶通濾光片，擴(kuò)展產(chǎn)品的檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景。

      當(dāng)以上裝置均按設(shè)計(jì)方案調(diào)校到位后，相機(jī)即可將拍攝到的同一場(chǎng)景、無(wú)視差的圖像分成三個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)輸出到后端，進(jìn)行分析及分選工作。  

小結(jié)

      文章介紹了采用棱鏡分光的單鏡頭三傳感器短波紅外相機(jī)，從使用背景、技術(shù)原理，進(jìn)一步展開(kāi)到介紹具體的實(shí)施辦法。利用福特科在復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域多年的經(jīng)驗(yàn)積累，該產(chǎn)品在技術(shù)上分別解決了寬光譜長(zhǎng)后焦光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)、復(fù)雜分光棱鏡加工及鍍膜、多傳感器共軸融合精密微調(diào)等難點(diǎn)。目前，產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)客戶的實(shí)際測(cè)試，性能不輸于國(guó)外同類產(chǎn)品，在工業(yè)分選領(lǐng)域具備廣闊的市場(chǎng)前景。