Design and research of image transmission systems with fiber bundles in environment of strong electromagnetic interference
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摘要: 为解决电磁辐射干扰环境中图像稳定传输的问题，设计并开发了具有抗强电磁干扰能力的光纤束传像系统。利用ZEMAX光学设计软件，对传像系统中前置物镜和后置目镜分别进行了设计，并根据物镜和目镜的初始像差分布情况，利用优化函数，结合各种操作数，对系统的像差进一步优化。优化结果表明，物镜各视场的光学调制传递函数（MTF）值在空间频率为38 lp/mm处大于0.85，目镜各视场的MTF值在空间频率为120 lp/mm处大于0.3，具有较高的成像质量。针对选用的物镜、目镜、光纤束及CCD的结构特点，设计并制备出系统连接的耦合器件，并搭建了一套传像系统，进行图像传输实验。对系统的成像质量以及影响因素进行分析，采用Gamma算法提高像面亮度，获得了高质量的传输图像。Abstract: In order to solve the problem of image stable transmission in electromagnetic interference environment, an fiber bundles image transmission system with the ability of anti strong electromagnetic interference was designed and developed. By using ZEMAX, the front objective lens and the rear eyepiece lens in the image transmission system was designed, respectively. And according to the initial aberration distribution of the objective lens and eyepiece lens, the system aberration was further optimized by using the optimized function and various operation numbers. The optimized results show that, the MTF value of each field of view of the objective lens is greater than 0.85 at the spatial frequency of 38 lp/mm, and that of each field of view of the eyepiece lens is greater than 0.3 at the spatial frequency of 120 lp/mm, which has high imaging quality. According to the structural characteristics of the selected objective lens, eyepiece lens, fiber bundles and CCD, the coupling device of system connection is designed and manufactured, and the image transmission system is built for the image transmission experiment. By analyzing the imaging quality and influencing factors of the system, the image brightness is improved by using the Gamma algorithm, and the high-quality transmission image is obtained.
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引言
图像传输技术广泛应用于工业、医疗、军事等各个领域[1]。在传统的图像传输系统中，场景信息通过物镜等光学成像系统将图像信息传输至电荷耦合器件（CCD）中，通过CCD的光电转换功能将光信号转换成电信号，并由数据传输线完成图像信息的传输。传统的图像传输方式适用于大部分场景，且目前的图像传输技术较为成熟，能满足人们的日常需求。
在一些特殊的场景下，比如强电磁干扰、核辐射的环境中，以及存在大电荷负载的启停、变频机及高频机等设备中，CCD等感光器件的光电转换过程会受到强烈干扰，信号无法进行正常的转换，导致传输的图像出现网纹、横纹及噪点等现象，严重影响传输图像的质量[2]。目前主要的应对方法是提前对图像传输系统所应用的场景进行分析，设法避开或远离辐射源，从而降低干扰强度。当无法避开辐射源时，往往会选择对系统的信号转换部件添加屏蔽设备，以保证信号转换的过程不受干扰[3]。但添加屏蔽设备会造成系统笨重复杂，且屏蔽效果不佳，总体分析，这些解决办法都具有一定的局限性，实用性不强。
目前，由光纤制备而成的光纤束是一种新型图像传输器件，因其纤细且柔软的特点，被广泛地应用于医疗、工业、军事及科学研究等领域[4]。比如，采用光纤束制备的医用光纤内窥镜在呼吸道、消化道、泌尿系统等部位的医用检查及各种微创手术中发挥着重要的作用[5]。此外，光纤束与传统图像传输器件不同，它本身不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射性好，特别适合在易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用[6]。
本文针对强电磁干扰恶劣环境下高质量图像传输的应用需求，设计了一套光纤束传像系统。首先，对光纤束传像机理进行简单介绍。接着，采用ZEMAX光学设计软件，设计优化出光纤束传像系统的前置物镜和后置目镜。最后，对选用的核心器件进行组装，搭建了一套光纤束传像系统，并采用Gamma算法进行图像优化处理，获得了高质量的传输图像。
1 光纤束传像理论
光纤束作为一种图像传输器件，是基于单根光纤的光传导性，将多根光纤有序地排列在一起，形成具有图像传输功能的光纤束[7]。如图1（a）所示，通过光学成像元件将场景信息成像于光纤束的端面上后，图像信息被分解成与光纤数目相等的像元，每根光纤独立地传输一个像元信息，并在末端重新汇聚成图像。其中，每根光纤基于其良好的导光性能完成单个像元信息的传导，如图1（b）所示，光以一定的入射角进入到光纤束后，在光纤纤芯与包层的交界面处产生全反射，被完整地束缚在光纤中进行传输[8]。
光纤束的实质是单根光纤传输一定波长范围下的光能，其传像性能由光纤的数值孔径（NA）、传输损耗等参数决定[9]。光纤束的NA与集成它的单根光纤相同，是表征光纤束集光能力的参数，决定于光纤所能传输的最大角θmax，与光纤的纤芯折射率n1及包层折射率n2相关，可表示为
$$NA = n\sin {\theta _{\max }} = \sqrt {n_1^2 - n_2^2} $$ (1) 在相同的条件下，NA越大，进入光纤束的光能量越多，图像传输的质量越高。但NA过大，会导致光纤的色散较大，对光纤束的传像性能产生影响，一般NA在0.5左右[10]。
光纤的传输损耗是影响成像质量的另一个重要因素，会导致所传图像的光强变弱，当光纤传输损耗过大时，会导致图像传输失败。
此外，光纤束的分辨率与其内部光纤单丝的直径大小及排列紧密程度密切相关，光纤单丝直径越小，排列越紧密，单位面积上光纤单丝的数目越多，即所成像的像素点数越多，性能则越高[11]。但光纤单丝直径过小则会造成光的束缚能力降低，对光纤束的性能产生严重影响，一般光纤单丝直径在10 μm左右，且包层的厚度需大于0.5 μm[12]。
2 光纤束传像系统设计
光纤束传像系统基本结构如图2所示。该系统主要由前端成像系统、光纤束和后端图像接收与处理系统三部分组成。被观察的场景信息通过前端物镜汇聚后，成像于光纤束的端面上；场景信息通过光纤束传输；在光纤束末端经目镜放大后，再通过光学卡口透射到CCD的感光面上，图像信息经光电转换后，由计算机软件系统进行后期处理及实时显示，并存储于计算机中。
在光纤束传像系统中，当所使用成像系统的成像面积、NA等参数与光纤束不匹配时，其部分图像信息无法传输至光纤束中，严重影响传输图像的质量[13]。因此，根据系统设计要求，利用ZEMAX光学设计软件，对系统中前置物镜及后置目镜进行分析与设计，使其满足所使用的光纤束传输需求。
2.1 前置物镜光学系统设计
本文所使用的光纤束为日本旭化成公司的产品[14]，主要由13000根直径约为15 μm的光纤单丝组成，其中光纤单丝纤芯直径约为14 μm，纤芯折射率为1.49，包层折射率为1.40，NA为0.5，整个光纤束端面直径为2 mm。静态环境下，光纤单丝排列呈正六边形结构，极限分辨率为38 lp/mm。此外，光纤束在可见光波段处的色散系数计算为300 ps/（nm·km）左右[15]，但由于使用的光纤束长度仅为1 m，所产生的色散小于系统的色散容限，因此其对传像系统的整体性能影响较小[16]。根据强电磁干扰环境下图像传输的需求，结合光纤束的参数，将物镜的工作波段设为可见光部分，视场角设为45°，系统的像高设为1 mm，与光纤束的端面尺寸匹配，系统的焦距设为 1.7 mm，入瞳直径设为0.96 mm，NA为0.24，小于光纤束的NA（0.5），满足光纤束的成像要求，具体参数如表1所示。
此外，在物镜成像于光纤束端面时，一般光学成像系统光轴及近光轴上的物点所形成的光线角度相对较小，一般都能满足光纤束的传输条件，而处于远离光轴的物点所发射出的部分光线角度会超过光纤束的最大入射角，无法进入到光纤束中，造成传输图像可能出现中心部分亮度较高而边缘部分暗淡的问题。因此，为保证传像系统输出为亮度均匀的图像，选用像方远心光路结构作为前置物镜的初始结构[17]。像方远心光路其孔径光阑位于物镜的像方焦面处，出射光束的主光线平行于主光轴，轴上物点以及轴外物点所形成的光束都能够进入到光纤束中。
表 1 物镜主要参数Table 1. Main parameters of objective lensParameters Value Wavelengths/nm 486 588 656 Effective Focal Length/mm 1.7 FOV/° 45 Entrance diameter/mm 0.96 NA 0.24 根据高质量传输的需求，本文从现有的文献中选用一种由7片透镜组成的像方远心结构光学系统，满足要求[18]。根据其初始像差的分布情况，利用ZEMAX光学设计软件，对所选用的光学系统进行进一步的像差优化。在优化过程中，利用垂轴色差（LACL）、轴向色差（AXCL）操作数控制色差，以及使用轴向球差（LONA）和规定面处的波球差分布（SPHA）操作数控制轴向球差，通过调整系统的变量，反复优化，直至达到设计要求。最终优化后的物镜参数如表2所示，光路结构如图3（a）所示，其主要由3组透镜相互作用完成成像，LENS1与LENS2组成前置接收组完成对场景光线信息的接收；LENS3、LENS4以及LENS5形成补偿组对前置接收组产生的像差进行补偿，而LENS6与LENS7组成后置汇聚组将完整的光线信息汇聚到光纤束的端面上。
图3（b）为物镜的MTF曲线，表征着物镜图像解析能力，其值越接近于1，系统的解析度越高，图像的传输质量越好，由图可知，其在38 lp/mm空间频率处MTF值大于0.85，具有良好的图像解析能力。图3（c）是物镜的色度焦移曲线，表征系统对不同波长光的偏移程度，偏移程度越低，图像的对比度越高，由图可知，在可见光波段范围内，物镜的偏移均在5 μm内，色度偏移较小，图像对比度较高。图3（d）、3（e）、3（f）分别为物镜在视场角为0°、8°、22.5°处的点列图，表示为各个视场下的像差最大值，由图可知，其最大几何弥散斑直径为13.5 μm，小于光纤单丝的直径，光线能量集中，系统成像质量较好，满足成像要求。图3（g）、3（h）、3（i）分别为物镜在0°、8°、22.5°视场角处的综合误差曲线，表示光学系统参照入瞳位置的像差综合值，由图可知，该系统在整个视场范围内的综合误差小于6 μm，具有较高的光学性能，达到设计要求。
表 2 物镜结构参数Table 2. Structural parameters of objective lensSurf Radius/mm Thickness/mm Glass Diameter/mm OBJ Infinity Infinity − Infinity 1 10.641 0.781 SF1 3.344 2 −5.615 0.361 N-LAK21 3.344 3 2.922 6.220 − 2.552 STO Infinity 2.273 − 2.232 5 −4.054 0.308 SF4 3.344 6 30.208 0.135 − 3.740 7 −42.925 0.727 N-LAK21 3.784 8 −4.101 0.044 − 4.408 9 26.131 0.854 N-PSK53 4.752 10 −5.705 0.044 − 4.752 11 6.938 0.802 N-PSK53 4.752 12 −37.288 0.760 − 4.752 13 93.260 6.929 N-SK5 4.408 14 Infinity 0.660 − 4.408 IMA Infinity − − 2.036 2.2 后置目镜光学系统设计
在光纤束传像系统中，目镜耦合于光纤束的末端，其物面为光纤束的末端端面。因此，所设计目镜的物高需稍大于光纤束的端面直径，以保证整个光纤束的端面都在其成像范围内。
根据选用的光纤束参数及使用需求，将目镜的视场角设为12°，焦距设为12.5 mm，入瞳直径设为1.79 mm，放大倍率为20×，满足使用要求，具体参数如表3所示。
表 3 目镜主要参数Table 3. Main parameters of eyepiece lensParameters Value Wavelengths/nm 486 588 656 Effective Focal Length/mm 12.5 FOV/° 12 Entrance diameter/mm 1.79 Magnification 20 通过查阅光学设计手册，本文选用一个4片式目镜光学系统作为初始结构[19]，对系统的结构参数进行调整以及优化。在对目镜进行像差优化时，按反向光路计算像差，将物平面设定为无限远，目镜对无限远目标进行成像，并在目镜的焦面上衡量系统的像差。在优化过程中，采用面厚度统计（TTHI）和操作数不大于（OPGT）两个操作数来控制光阑到第一个面的距离，以保证其拥有一个良好的后工作距。此外，通过分析初始像差分布情况，使用SPHA和LONA来控制系统的球差，以及畸变最大值（DIMX）操作数控制畸变，并设置系统的变量参数进行优化。在设置目镜系统的参数变量时，通过连续改变每个结构的参数并观察系统的赛德尔函数的变化，分析各结构参数的变化对像差影响的大小及方向，从而确定应改变哪几个参数，并进行优化，直至整个系统达到设计要求。最终优化后的目镜参数如表4所示，光路结构如图4（a）所示。其中，所使用的玻璃材料从左到右依次为：BAK-1、K5、F2、K5，通过冕牌玻璃与火石玻璃搭配组成三胶合透镜，是比较好的减少像差的方法。此外，通过在优化过程加入的限制，其后工作距保持在10 mm左右，满足实际需求。
图4（b）为目镜的MTF曲线，对于接收对象为人眼的目视光学系统来说，其所能辨认的MTF阈值为0.3，由图可知，在空间频率为120 lp/mm处，目镜的MTF值大于0.3，达到使用要求。图4（c）为目镜的色度焦移曲线，由图可知，其在可见光部分的色度偏移范围为20 μm以内，满足使用要求。图4（d）、4（e）、4（f）分别为目镜在0°、3°、6°视场角处的点列图，由图可知，其最大几何弥散斑直径为7.62 μm，小于光纤单丝的直径，满足对光纤束的成像要求。图4（g）、4（h）、4（i）为目镜的综合误差曲线，由图可知，其各个视场内的综合误差均在3 μm以内，整体误差较小，满足设计要求。
表 4 目镜结构参数Table 4. Structural parameters of eyepiece lensSurf Radius/mm Thickness/mm Glass Diameter/mm OBJ Infinity Infinity − Infinity STO Infinity 9.835 − 1.788 2 −23.403 2.906 BAK1 3.838 3 −10.323 0.224 − 4.372 4 8.873 4.917 K5 4.414 5 −6.794 0.671 F2 3.820 6 7.481 4.917 K5 3.710 7 525.573 6.080 − 3.398 IMA Infinity − − 2.808 2.3 成像系统加工可行性分析
一个合理的设计必须符合目前的加工工艺和装调水平，因此，使用ZEMAX软件对所设计的物镜及目镜进行公差分析，并以此评判其加工可行性。在对物镜及目镜进行公差分析时，首先需要进行公差分配，分配项及各项分配值如表5所示[20]，其中Radius为曲率半径公差、Thickness为厚度公差、S+Alrreg为表面不规则度公差、Decenter为偏心公差、Tilt为表面倾斜公差、Index为折射率公差。
表 5 物镜及目镜公差分配表Table 5. Tolerance distribution of objective lens and eyepiece lensTolerance Value Radius/mm 0.02 Thickness/mm 0.05 S+Alrreg/fringes 0.05 Decenter/mm 0.05 Tilt/deg 0.05 Index 0.001 通过公差分配数，并选用后焦距控制像面位置作为补偿量，执行公差分析，分别得到物镜的MTF曲线在38 lp/mm处的概率分布情况，以及目镜的MTF曲线在120 lp/mm处的概率分布情况，如表6所示，可以看到，在所设定的公差范围内，90%以上物镜的MTF曲线在38 lp/mm处高于0.864，物镜的MTF曲线下降量较小，仍保持较高的成像质量。90%以上目镜的MTF曲线在120 lp/mm处保持在0.36以上，仍保持较高的光学特性。因此，根据目前光学冷加工的工艺及精度水平，其满足实际加工的要求[21]。
表 6 MTF概率分布Table 6. Distribution of MTF probabilityProbability MTF of objective lens MTF of eyepiece lens 90%≥ 0.864 0.360 80%≥ 0.780 0.361 50%≥ 0.898 0.362 20%≥ 0.900 0.363 3 光纤束传像系统集成及传像实验
为进一步分析光纤束传像系统的图像传输特性，本文实际搭建了一套光纤束传像系统，进行传像实验，对传输图像的成像质量以及影响因素进行分析，并提出解决方案。
为契合所设计的光学系统，本文所使用的光纤束的端面形貌及内部结构如图5所示，并选用了焦距为2.61 mm、视场角为60°的微型物镜及焦距为12 mm、放大倍率为20×的目镜。根据实际使用需求，本文选用德国Basler公司生产的acA2440-35uc型CCD，此款CCD摄像机配备Sony IMX 264CMOS芯片，其帧速率达到35 fps，分辨率达到500万像素，满足使用要求。
根据所选用部件的结构及参数，利用CREO机械设计软件，对传像系统中的耦合部件进行设计。前端成像系统耦合部件如图6（a）所示，其使用卡槽将光纤束固定在一端，并通过标准M12螺纹接口将前置物镜固定于另一端，实际连接图如图6（b）所示。后端图像接收系统耦合部件如图6（c）所示，首先通过卡槽将光纤束固定于一端，其次使用标准M23螺纹接口连接目镜光学系统，最后通过光学卡口将CCD与目镜进行连接。实际连接图如图6（d）所示。
使用系统进行图像传输实验，传输结果如图7（a）所示，可以看到，因光纤束的传输损耗，输出图像的像面较暗，整体显示效果不佳，需使用软件处理系统对图像进行后期处理。根据传输图像特点，本文选用Gamma算法对图像进行亮度补偿，其对图像中灰度值较高的像素点进行压缩，而对灰度值较低的像素点进行拉伸，整体亮度增强[22]，实际处理结果如图7（b）所示。
为能客观评价Gamma算法的图像处理效果，分别计算出原图像与处理后图像的灰度均值，并以此来对算法的有效性进行评判。计算结果如表7所示，可以看到，经Gamma处理后的图像灰度均值得到较大提高，即图像像面亮度得到了有效改善。
表 7 图像的灰度均值Table 7. Gray average of imageParameters Original image Gamma processed image Gray mean value 44.778 73.643 需要指出的是，由于所选用成像部件的参数未能与设计的成像系统参数完全吻合，系统的传像效果没有达到最优。但从所搭建的传像系统实际展现的图像效果来看，初步达到实际应用需求。按照仿真设计结果来加工成像系统，使光纤束传像系统效果更佳、更具实用化，是我们下阶段的研究工作重点之一。
4 结论
通过对光纤束图像传输技术的研究与分析，本文设计并开发出了具有抗强电磁干扰能力的光纤束图传像，解决了电磁干扰环境下的图像传输问题。在系统中，利用ZEMAX光学设计软件，设计出了光纤束传像系统中前置物镜和后置目镜，其中前置物镜的各视场MTF值在空间频率为38 lp/mm处大于0.85，而目镜的各视场MTF值在空间频率为120 lp/mm处大于0.3，具有较高的光学特性，满足设计要求。其次，通过设计制备出的耦合器件，本文实际搭建了一套光纤束传像系统，并采用Gamma算法提升了图像的亮度，以减少因光纤束的传输损耗对图像造成的影响。使用系统对室内场景进行了图像传输测试，初步达到实际应用需求。
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表 1 物镜主要参数
Table 1 Main parameters of objective lens
Parameters Value Wavelengths/nm 486 588 656 Effective Focal Length/mm 1.7 FOV/° 45 Entrance diameter/mm 0.96 NA 0.24 
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表 2 物镜结构参数
Table 2 Structural parameters of objective lens
Surf Radius/mm Thickness/mm Glass Diameter/mm OBJ Infinity Infinity − Infinity 1 10.641 0.781 SF1 3.344 2 −5.615 0.361 N-LAK21 3.344 3 2.922 6.220 − 2.552 STO Infinity 2.273 − 2.232 5 −4.054 0.308 SF4 3.344 6 30.208 0.135 − 3.740 7 −42.925 0.727 N-LAK21 3.784 8 −4.101 0.044 − 4.408 9 26.131 0.854 N-PSK53 4.752 10 −5.705 0.044 − 4.752 11 6.938 0.802 N-PSK53 4.752 12 −37.288 0.760 − 4.752 13 93.260 6.929 N-SK5 4.408 14 Infinity 0.660 − 4.408 IMA Infinity − − 2.036
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表 3 目镜主要参数
Table 3 Main parameters of eyepiece lens
Parameters Value Wavelengths/nm 486 588 656 Effective Focal Length/mm 12.5 FOV/° 12 Entrance diameter/mm 1.79 Magnification 20
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表 4 目镜结构参数
Table 4 Structural parameters of eyepiece lens
Surf Radius/mm Thickness/mm Glass Diameter/mm OBJ Infinity Infinity − Infinity STO Infinity 9.835 − 1.788 2 −23.403 2.906 BAK1 3.838 3 −10.323 0.224 − 4.372 4 8.873 4.917 K5 4.414 5 −6.794 0.671 F2 3.820 6 7.481 4.917 K5 3.710 7 525.573 6.080 − 3.398 IMA Infinity − − 2.808
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表 5 物镜及目镜公差分配表
Table 5 Tolerance distribution of objective lens and eyepiece lens
Tolerance Value Radius/mm 0.02 Thickness/mm 0.05 S+Alrreg/fringes 0.05 Decenter/mm 0.05 Tilt/deg 0.05 Index 0.001
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表 6 MTF概率分布
Table 6 Distribution of MTF probability
Probability MTF of objective lens MTF of eyepiece lens 90%≥ 0.864 0.360 80%≥ 0.780 0.361 50%≥ 0.898 0.362 20%≥ 0.900 0.363
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表 7 图像的灰度均值
Table 7 Gray average of image
Parameters Original image Gamma processed image Gray mean value 44.778 73.643
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