【產(chǎn)品與技術(shù)】利用棱鏡分光的三傳感器短波紅外相機
 

福特科 李宇航

      短波紅外波段（簡稱SWIR，通常指0.9~1.7μm波長的光線）能夠呈現(xiàn)出許多人眼無法觀察到的圖像，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、堅果殼仁、茶葉、谷物等物體，在可見光下無明顯的外觀差異，卻在短波紅外波段的不同光譜中呈現(xiàn)不同的吸收、透過特性，經(jīng)紅外相機拍攝接收到不同的響應(yīng)信號后，利用事先對相應(yīng)特性的光譜圖像的研究結(jié)果，即可對產(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處有不同的光譜響應(yīng)特征，在某些分選場景下，需要對不同波長范圍進行分別成像，采集相應(yīng)的光譜特征，從而對物體特性做出更準確的判斷。這時候可以采取三路分立的、不同發(fā)光波長的紅外光源對物體逐一進行照明，相機分別捕捉到三次信號，這種方法的問題是三次信號的捕捉不可能在同一時間進行，拍攝的圖像會有所差異。另外一種方式是采用三臺配備不同波段濾光片的短波紅外相機，同時拍攝被檢物體，采集三個波段同一時刻的反射、透射信號，但這種方式最大的問題是三個鏡頭拍攝的圖像存在因拍攝方位不同引起的視差，影像圖像的識別判定。

      為此，我們開發(fā)了利用棱鏡分光的單鏡頭三傳感器短波紅外相機系統(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、帶通濾光片及三個圖像傳感器組成，如圖1。短波紅外鏡頭負責采集0.9~1.7μm波段的光線信號，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的光譜細分為三個波段，分別反射到棱鏡的三個出光面。在棱鏡的出光面處各置一窄帶濾光片，對特定的波長進行選通，最終，鏡頭采集到的短波紅外波段下三個不同波長的圖像信號，分別進入了三個傳感器。

圖 1

     需要指出的是，三個傳感器相對于棱鏡的位置并非是隨意安放的，而是通過精密裝調(diào)，達到各傳感器中心軸與鏡頭光軸共軸的效果，所以三個傳感器接收到的圖像內(nèi)容是完全一致的，不存在視差。通過后期算法的融合，三路圖像信號可以疊加融合為一個畫面。和單鏡頭單傳感器的方案相比，核心的不同點在于，系統(tǒng)可以對三個不同波長的光譜信號分別進行獨立的處理分析，根據(jù)不同波長下的光譜特征，對物體屬性做出更精確的分選判斷。    

具體實施方式

     針對0.9~1.7μm波段專門設(shè)計了寬光譜共焦的短波紅外鏡頭，對該波段的軸向色差、垂軸色差進行了校正，作為工業(yè)檢測鏡頭，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)后焦長于常規(guī)鏡頭，這是本項目鏡頭設(shè)計的一個難點，其像差是結(jié)合棱鏡引入的像差后綜合校正的。設(shè)計完成后，鏡頭能夠覆蓋φ15mm的成像圓，匹配7μm傳感器，MTF達到了70lp/mm，鏡頭的MTF、點列斑等圖表見圖2。

      鏡頭的鍍膜采用900~1700nm的寬帶增透膜，且光路采用主動無熱化設(shè)計，在-10~60℃環(huán)境下畫面清晰度均不會有明顯變化，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，通過在S2、S5兩個分光面設(shè)計特殊的分光膜層，將整個短波紅外波段分為900-1150nm、1150nm-1400nm、1400-1700nm三個小波段，分別進入S3、S7、S8三個出光面。S1面鍍制的是0.9~1.7μm整個波段的寬帶增透膜，S3、S7、S8面則分別鍍制對應(yīng)出光波段的增透膜。S2和S5面反射的光線分別到達S1和S4面時，利用全反射再次反射到S3和S7面

圖 3

      在棱鏡的三個出光方向分別放置三塊傳感器，將鏡頭對準靶標進行拍照。若不對傳感器位置進行精密調(diào)校，三個傳感器的成像區(qū)域中心和鏡頭光軸不會嚴格重合，拍攝到的三幅畫面不會完全一樣，圖像無法融合，更無法對被攝物體光譜特性展開進一步分析。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系統(tǒng)達到共軸重合的狀態(tài)。以上調(diào)校是通過專門設(shè)計的靶標以及微調(diào)工裝實現(xiàn)的，重合精度可以達到0.3個像素以內(nèi)。

      在傳感器和棱鏡之間留有足夠的空氣隙，此處在機械結(jié)構(gòu)上設(shè)計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，可以在插槽內(nèi)更換不同波長的帶通濾光片，擴展產(chǎn)品的檢測應(yīng)用場景。

      當以上裝置均按設(shè)計方案調(diào)校到位后，相機即可將拍攝到的同一場景、無視差的圖像分成三個不同波長的信號輸出到后端，進行分析及分選工作。  

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，從使用背景、技術(shù)原理，進一步展開到介紹具體的實施辦法。利用福特科在復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域多年的經(jīng)驗積累，該產(chǎn)品在技術(shù)上分別解決了寬光譜長后焦光學(xué)鏡頭設(shè)計、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。目前，產(chǎn)品已經(jīng)通過客戶的實際測試，性能不輸于國外同類產(chǎn)品，在工業(yè)分選領(lǐng)域具備廣闊的市場前景。