基于光纤束传像系统的设计与加工的研究

何晓杰 卜鑫链 王春明 汪枫林

摘要：针对传统的传像系统易受电磁干扰的问题，设计并实现了在特殊环境下使用的光纤束传像系统。利用ZEMAX光学仿真软件，设计出了一个工作波段为可见光，全视场80°，焦距为5mm的监控物镜，该物镜各视场光学调制函数（MTF）值在空间频率36lp/mm处大于0.8，点列图最大弥散斑均方根半径（RMS radius）为3.031μm，接近衍射极限，因此具有较高成像质量。采用加工的物镜、选型转接镜及光纤束等核心器件，搭建了传像系统。通过测试光纤束图像传输系统的抗电磁干扰性能，采用高斯低通滤波结合DCT同态滤波算法有效去除图像的像素，获得了高质量的信息传输。

关键词：光纤束物镜传像系统电磁干扰

中图分类号：TN253

Research on the Design and Processing of the Image Transmission System Based on Fiber Bundles

HE Xiaojie  BU Xinlian  WANG Chunming  WANG Fenglin

（Jingjiang Power Supply Company， State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Taizhou， Jiangsu Province， 214500 China）

Abstract： In order to solve the problem that the traditional image transmission system is susceptible to electromagnetic interference， a fiber bundle image transmission system used in the special environment is designed and implemented. ZEMAX optical simulation software is used， a monitoring objective with an operating band of visible light， a full field of view of 80 ° and a focal length of 5mm is designed. The optical modulation transfer function （MTF） value of each field of view of the objective is greater than 0.8 at the spatial frequency of 36lp/mm， and the maximum root mean square （RMS） radius of the diffuse spot in the point plot is 3.031 μ m， which approaches the diffraction limit， so it has high imaging quality. The image transmission system is built by the core components such as processed objective lenses， selected adapter lenses and fiber bundles. By testing the anti-electromagnetic interference performance of the fiber bundle image transmission system， the Gaussian low-pass is used to effectively remove the pixels of the image in combination with the DCT homomorphic filtering algorithm， and high-quality information transmission is obtained.

Key Words： Fiber bundle; Objective lens; Image transmission system; Electromagnetic interference

光纤束是由光纤制备的一种传像器件，可以由多组分玻璃光纤、硫系玻璃光纤等不同类型光纤制备而成，具有纤细柔软的特点，被广泛应用于工业化、医学、等领域。例如在医疗领域中，由光纤束制备的各种医用内窥镜，可以检测器官组织的内部结构，有助于医务人员对情做出准确判断[1]。光纤束传输过程本身不带电且通过光信号进行信息传输，系统结构较简单、弯曲性能好、抗电磁干扰、抗辐射能力强，适合在电磁干扰及特殊环境下使用，在电力设备内部检测中具有重大应用潜力。

本文基于电力设备内部检测的需求，设计并实现了一套光纤束图像传输系统。首先，简要分析了光纤束的图像传输原理。接下来，使用ZEMAX光学仿真软件设计和优化符合所选光纤束参数特性的光学前成像物镜。最后，利用加工后的物镜、选定的过渡环境和光纤束等核心部件，建立了一套光纤束图像传输系统。采用高斯低通滤波与DCT同态滤波相结合的方法对图像进行去像素化处理，以增强图像质量，并进一步对其抗电磁干扰能力进行实验分析。

1 光纤束传像原理与性能分析

光纤束是由多根光纤有序排列而成，根据光纤的导光原理，光在具有高折射率的纤芯中传播，在低折射率的包层界面发生全反射，其中每根光纤都具有良好的光学绝缘性能，可以独立传光并且不受相邻光纤的影响。光纤束端面的每根光纤都可以看作一个像元，像元的大小为单根光纤的直径，像元数等于单根光纤的数量。光纤束传像原理示意图如图1所示，图中每个数字代表一根光纤，由于光纤束中每根光纤在入射端和出射端的几何位置完全相同，因此出射端和入射端图像基本一致。

作为无源图像传输器件，光纤束的传输性能主要由截面大小、数值孔径（Numerical Aperture， NA）、透过率、分辨率及断丝率决定[2]。本文所使用的光纤束为南京春辉科技实业有限公司提供的一款8mm×8mm的大截面产品，其长度为1200 mm，光纤束数值孔径（NA）为0.6，具有较高的集光能力。

（1）

影响光纤的透过率因素主要是由纤芯材料的吸收引起的损失、纤芯和包层界面发生的全反射损耗以及光纤端面的菲涅尔损耗等[3]。在光纤的制备工艺和材料等因素不变的情况下，光纤的透射率随着纤芯层直径的增加而增加。在405 nm和660 nm波长下，实际测得光纤束中心位置的传输损耗分别为3.25 dB/m和2.92 dB/m。此外，采用光学轮廓仪（Sensofar， SNEOX）对光纤束的端面形貌进行观测，如图2所示，光纤束呈正六边形排列，其光纤单丝直径R2约为16.4μm。

2 光纤束传像系统设计

2.1 光纤束传像系统概述

光纤束传像系统结构示意图如图3所示，该系统主要由物镜、耦合系统、光纤束、转接境及CCD构成。首先，光学成像物镜将物体信息采集汇聚至物镜像面，并有效耦合进光纤束中，物镜的像面与光纤束端面在同一位置；其次，光纤束传递光信号，且将物体的光学信息传递到转接镜的物面，即光纤束另一端面和转接镜的物面在同一位置；最后，转接镜将光信号耦合到CCD的感光面上，通过CCD完成光电转换后，再由计算机实时显示，并将图像信息存储到计算机中。

2.2  物镜设计

光学成像物镜设计需要满足光纤束的参数特性，其物距设为1m，视场角为80°，焦距为5mm，系统像高需匹配光纤束端面尺寸，考虑到将物镜所有视场的光信号均汇聚至光纤束端面，因此像高选为8mm。此外，由于光纤束是通过光纤传光来达到传像目的，需要满足光纤的全反射条件，应使入射光线的NA小于光纤束的NA（即物镜的像方NA 小于光纤束的NA），才能保证光线在光纤束中全部传输。结合照度需求及加工工艺，选取物镜的相对孔径为1：4。为了保证系统高质量信息传输，物镜的评价指标也需要满足光纤束的要求，如表1所示为具体要求。于此同时，物镜成像到光纤束端面的时候，需要保证轴上及轴外物点的全部光线均入射到光纤束中，因此物镜设计成像方远心光路。

确定好设计指标和要求之后，就需要选择合理的结构，有效使用ZEMAX光学仿真软件进行光学设计和优化。优化后的光路结构如图4所示，该结构由8枚镜片构成，像方NA为0.12，小于光纤束NA值，后焦距为5mm，有利于和光纤束的端面耦合。以光阑面为区分，可分为前组4枚镜片和后组4枚镜片，第1枚镜片用于聚集大角度的光线；第2枚到第4枚镜片主要对第1枚镜片的光线进行接收，并且收敛其入射角，以减小后面镜片尺寸；第5枚和第6枚镜片组成双胶合镜片结构，有利于减小像差；第7枚与第8枚镜片组成固定组，增大像面高度，可将光线完整汇聚到光纤束的端面上。

物镜的色度焦移曲线如图5所示，其最大焦移为15.8μm，小于衍射极限37.7μm，偏移程度较小，满足要求。图6为相对照度曲线，在40°视场下的照度为0.79，其他各视场均大于0.8，满足物镜照度大于0.7的设计要求。

物镜的点图显示，物点发射的光穿过光学系统，在一定范围内形成散射的散射图案，从图7～10可以看出各视场（0 deg、23.09 deg、32.66 deg、40deg）下点列图的最大弥散斑均方根半径（RMS radius）为3.031μm，略高于艾里斑半径2.872μm，接近衍射极限，其他各视场均小于艾里斑半径。RMS最大直径为6.230μm，该系统比光纤束中单根光纤的直径更小，光线更集中，成像质量更好，满足实际观测需求。

3 光纤束传像系统搭建及测试分析

3.1 传像系统搭建

在光纤束图像传输系统中，物镜用于将监控对象的信息收集到光纤束的入射端面，其成像质量对传像系统的整体成像质量起着重要作用。实际加工的物镜产品其总长度约54 mm。为验证已加工物镜的光学性能，采用光学传递函数测量仪（ImageMaster? HR，北京全欧光学检测仪器有限公司）对物镜的MTF、CRA 和相对照度进行测试。MTF测试的工作距离设定为无穷远，测试类型设定为视场角，测试结果表明，其最大空间频率为150 lp/mm，间隔为2 lp/mm，MTF在150 lp/mm 处各视场的下降量均小于0.15，在加工过程中是一个可以接受的下降范围。CRA的测试类型为成像高度，其总像高实测为8 mm，主光线在任意成像高度上与光轴的夹角均小于1°，达到了物镜的设计要求[4]。

转接镜的物距设为35 mm，可减小系统的装配难度，提高系统的灵活性；转接镜的相对照度设置为全视场大于0.9，以保证图像传输到CCD时仍具有较高的照度；同时，为保证系统具有较高的成像质量，转接镜各视场MTF值在150 lp/mm处应大于0.3。根据以上要求选用了一款商用物方远心镜头（I1.1×3.5T，天安光学）作为系统的转接镜，其结构参数满足实际需求。

将加工的物镜、选型的转接境、光纤束及其他核心器件进行组装，完整系统的整体结构如图8（a）可以看出，包括前置成像模块和后置转换模块，分别如图8（c）、（d）所呈现。前置成像模块包括耦合部件、固定环、物镜等，通过三脚架固定放置；后置转换模块包括光纤束出射端、耦合部件、固定环、转接镜和CCD，并通过图8（b）的机箱进行固定且封装在机箱内部。光纤束传像系统只需将数据线连接至计算机中即可完成图像传输，具有操作简单、方便携带等优点[5]。

3.2 系统传像测试分析

一般光纤束传输的图像具有较大的像素化，对成像效果产生重大影响，必须进行去像素化处理。去像素化处理后的评价指标（均值、标准差、平均梯度和熵值）计算结果如表2所示，经DCT同态滤波处理后的图像均值有较大幅度提升，且熵值并未下降，说明DCT同态滤波算法可以增强图像的亮度且不会降低图像的信息量。并且，若使用高斯低通滤波结合DCT同态滤波算法处理图像，获得的四个评价指标均有所上升。

进一步对光纤束传像系统进行抗电磁干扰性能测试，该实验在电波暗室中进行，该环境能够维持足够均匀的电磁场。测试中使用的高增益喇叭天线可产生频率范围为800 MHz～5 GHz的电磁波，通过对比未加和加电磁辐射干扰情况下监控系统传输的图像效果并未产生明显差异，计算得到两幅图的结构相似性（Structural Similarity，SSIM）值为0.982，具有较高的相似度，表明该传像系统具有较好的抗电磁干扰能力[6]。

4 结论

基于电磁干扰环境中传像需求，设计并研制了一套光纤束图像传输系统。利用Zemax光学仿真软件设计基于图像立方体远心光路的物镜，经过该物镜的光功率可以最大程度地耦合进光纤束中。加工后的物镜成像测试结果表明，在光纤束极限分辨率36 lp/mm处物镜各视场的MITF 值皆大于0.8，表明其具有优异的成像质量。采用高斯低通滤波结合DCT同态滤波算法对该传像系统采集到的图像进行去像素化处理，其成像质量得到大幅提升。进一步对光纤束传像系统进行抗电磁干扰性能测试，测试结果表明该传像系统具有优异的抗电磁干扰能力。

参考文献

[1] 陈晓曼.基于BOMA-OFDM的光载无线通信系统关键技术研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

[2] 张荆沙，张琰.基于嵌入式技术的光纤干涉型传感器智能控制研究[J].激光杂志，2022，43（10）：193-196.

[3] 杨海林，刘丽娟，彭迪，等.光纤信能共传技术研究进展[J].光学学报，2021，41（11）：9-18.

[4] 李韦萍，孔淼，石俊婷，等.ROF系统中基于单个调制器的多射频操作[J].中国激光，2020，47（11）：203-208.

[5] 李璐，韩煦，袁军，等.基于双向EDFA的超长距光纤通信技术研究[J].现代电子技术，2022，45（23）：19-23.

[6] 巴颖华.光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].集成电路应用，2022，39（11）：294-296.