付秀華，席佩花，孟繁有，張功，張靜

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春日辰光電技術(shù)有限公司，長(zhǎng)春 130012）

谷物色選機(jī)是根據(jù)物料光學(xué)特性的差異，利用光電技術(shù)將顆粒物料中的異色顆粒自動(dòng)分揀出來的一種設(shè)備。它是通過產(chǎn)品的顏色來區(qū)分、篩選其中的異色粒和雜質(zhì)，特別是在不合格粒與合格粒的粒度、密度等都十分相似的情況下，色選是唯一的分選方法。谷物色選機(jī)主要由喂料系統(tǒng)、光電檢測(cè)系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，光電檢測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)色選機(jī)的核心系統(tǒng)，而光學(xué)系統(tǒng)是其中重要的一部分，它關(guān)系到谷物是否能在CCD光敏元上成清晰的像，從而直接影響色選機(jī)的色選精度［1-2］。

目前，國(guó)內(nèi)常用的谷物色選機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)光譜范圍在380～780 nm，采用線陣CCD和CMOS圖像傳感器，對(duì)谷物的形狀和顏色進(jìn)行檢測(cè)分析，但是對(duì)于與合格粒表面顏色差異較小的異色粒，不能夠直接檢測(cè)，需要用紅外光識(shí)別其內(nèi)部差異才能夠區(qū)分，還有其他類雜質(zhì)，比如透明玻璃碎片、塑料等，可見光波段不能夠識(shí)別，也需要借助紅外光設(shè)備進(jìn)行篩選，凈選率低。并且國(guó)內(nèi)常用色選機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)某一種或者某幾種物料給定光譜范圍進(jìn)行篩選，但是每種谷物都有它特定的色選波長(zhǎng)，具有局限性，分選效果差、成本高［3-4］。

本文提出并設(shè)計(jì)一種適用于多類谷物的三路色選光學(xué)成像系統(tǒng)分光器件，根據(jù)光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確定分光器件的參數(shù)指標(biāo)，通過分光棱鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及光學(xué)薄膜的研制實(shí)現(xiàn)了三路分光。該分光器件能夠滿足絕大多數(shù)的谷物顆粒色選要求，并有效提高谷物色選系統(tǒng)的篩選效率。

1 技術(shù)指標(biāo)

谷物色選光學(xué)成像系統(tǒng)由前組物鏡和后組分光器件組成。分光器件屬于成像系統(tǒng)的重要組成部分，其具體的技術(shù)參數(shù)需要通過光學(xué)成像系統(tǒng)的總體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定。

根據(jù)色選機(jī)內(nèi)部的空間條件要求，該光學(xué)系統(tǒng)的共軛距在560～710 mm范圍之內(nèi)，由于鏡頭需要設(shè)計(jì)分光棱鏡，后截距要求較長(zhǎng)，因此共軛距確定為700 mm，物距為585 mm，光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)為115 mm。谷物色選鏡頭是與像元大小為4.7 μm × 4.7 μm、像元數(shù)為7 400的線陣CCD傳感器相匹配，則像高為34.8 mm，鏡頭的分辨率為106 lp/mm。光學(xué)系統(tǒng)的焦距直接影響鏡頭的能力，依據(jù)待檢測(cè)物體的尺寸范圍，暫定鏡頭焦距為50 mm。由于色選機(jī)內(nèi)部無自然光進(jìn)入，需要引入照明系統(tǒng)，考慮到傳感器工作時(shí)對(duì)溫度的要求，需要保證色選機(jī)內(nèi)部的照明系統(tǒng)功率較小，所以暫定鏡頭F數(shù)為2.0，后來經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，鏡頭分辨率為106 lp/mm時(shí)，光學(xué)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需要使用至少10組鏡片，并且MTF值很難達(dá)到0.3以上，因此將鏡頭焦距設(shè)定為30 mm，F(xiàn)數(shù)為2.8，物高340 mm。此時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果得出，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)為6片式結(jié)構(gòu)，MTF值在106 lp/mm時(shí)達(dá)到0.3以上，滿足使用要求。根據(jù)傳感器的像元尺寸、鏡頭的焦距和分辨率以及待測(cè)物體的尺寸范圍，可確定鏡頭三路的放大倍率差異需要小于0.000 1。根據(jù)色選條件要求，確定光學(xué)系統(tǒng)的波段范圍為400～930 nm，其光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)成像系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

色選光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。鏡組1到5為前組物鏡，6為分光器件。由于三路光經(jīng)過分光器件的光路是相等的，因此在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將分光器件等效為橫向長(zhǎng)為44.3 mm的玻璃平板，保護(hù)玻璃厚度為0.7 mm。該系統(tǒng)有效焦距為30 mm，口徑為11.1 mm，總長(zhǎng)度為115 mm，滿足了線陣CCD傳感器進(jìn)行耦合的要求［7-9］。

表2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果，從調(diào)制傳遞函數(shù)MTF、垂軸色差和畸變進(jìn)行分析評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線如圖2所示，從圖2曲線中看出，在奈奎斯特頻率106 lp/mm處，不同工作波段內(nèi)MTF值均在0.3以上，滿足成像光學(xué)系統(tǒng)的要求。

圖2 系統(tǒng)的MTF曲線

系統(tǒng)的垂軸色差曲線如圖3所示。谷物色選系統(tǒng)采用灰度值計(jì)算，鏡頭的色彩還原非常關(guān)鍵，為了降低色差及矯正二級(jí)光譜，引入玻璃H-FK61來矯正色差，從圖3曲線圖可以看出不同工作波段系統(tǒng)垂軸色差也得到了顯著改善。

圖3 系統(tǒng)的垂軸色差曲線

系統(tǒng)的畸變曲線如圖4所示，畸變表示光學(xué)系統(tǒng)成像發(fā)生變形的程度，也是影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一。相機(jī)系統(tǒng)畸變一般要求在2%以內(nèi)即可，從圖4曲線圖結(jié)果顯示系統(tǒng)的不同工作波段的畸變均小于1%，得到很好的校正，滿足色選鏡頭對(duì)畸變的要求。

圖4 系統(tǒng)的畸變曲線

2 分光器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

分光器件是整個(gè)谷物色選光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它決定了成像光學(xué)系統(tǒng)的分光能力。為了能夠測(cè)量絕大多數(shù)的糧食顆粒、礦物顆粒等顆粒狀物體，需要區(qū)分不同顏色近似灰度值的情況，并根據(jù)傳感器的感光度情況，分為三個(gè)波段，一個(gè)波段為藍(lán)綠光，光譜范圍為400～570 nm；一個(gè)波段為紅光，光譜范圍為610～700 nm；一個(gè)波段為近紅外光，光譜范圍為750～930 nm。本文利用分光棱鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及光學(xué)薄膜的研制實(shí)現(xiàn)三路分光。

2.1 三路分光棱鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)色選機(jī)的光學(xué)結(jié)構(gòu)要求，分光棱鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮兩個(gè)方面，一是三路光光程需近似或者相等，二是分光棱鏡的體積不能過大。

對(duì)于常規(guī)的45°分光棱鏡組合，其分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。光線經(jīng)過棱鏡后，B+G光的光程最短，其次是R光和NIR的光程相等，為了滿足光學(xué)系統(tǒng)像面的大小，棱鏡的尺寸至少為16 mm×16 mm，此時(shí)，整體設(shè)計(jì)上存在兩個(gè)難點(diǎn)，第一是光學(xué)系統(tǒng)的后截距過長(zhǎng)，第二是整體的結(jié)構(gòu)體積十分龐大，滿足不了空間上的要求。

圖5 常規(guī)45°分光棱鏡的結(jié)構(gòu)

根據(jù)光學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用不規(guī)則的棱鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。棱鏡的材料選用H-K9L光學(xué)玻璃，其折射率nk=1.5168（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)550 nm），發(fā)生全反射時(shí)，其臨界角C=arcsin( )1nk=41.25°。根據(jù)典型3CCD相機(jī)棱鏡分光結(jié)構(gòu)形式，通過全反射原理、色選機(jī)內(nèi)部空間的條件以及CCD傳感器的尺寸，可確定棱鏡的結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算可知，在棱鏡系統(tǒng)中，光線的入射角度滿足 -6°≤θ1≤ 5.6°，系統(tǒng)可正常工作，因此本文選用光線垂直光軸入射時(shí)，進(jìn)行設(shè)計(jì)論證。

圖6 分光棱鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

第一路光，光從棱鏡1（a）面進(jìn)入到（b）面形成二向分色，紅光和近紅外光透射，要使藍(lán)綠光反射到面（a）發(fā)生全反射，需要滿足全反射條件，為了防止棱鏡1中光線出現(xiàn)偏振，上端楔角要盡量小，以及考慮到實(shí)際加工生產(chǎn)條件，因此全反射角選取為46°，上端的楔角選擇23°。根據(jù)幾何關(guān)系可得：θ2=46°，θ3=44°，出射面與底平面的夾角θ4=44°。

第二路光，紅外光從棱鏡的面（b）進(jìn)入到面（e）形成二向分色，近紅外光透射，紅光反射到棱鏡2的前表面，要使紅光在棱鏡2的前表面發(fā)生全反射，需要滿足入射角大于等于臨界角C=arcsin(1n)=41.37°（在紅光條件下），同樣全反射角選取46°，根據(jù)幾何關(guān)系可得：θ5=23°，θ6=44°，則棱鏡 2 的上端楔角θ7=46°，下端楔角θ8=34.5°。

第三路光，近紅外光從棱鏡3透射出去。根據(jù)棱鏡1和棱鏡2的結(jié)構(gòu)形式，可以推出棱鏡3結(jié)構(gòu)，并根據(jù)幾何關(guān)系可得，入射面的角度為θ9=78.5°，θ10=101.5°。

為了實(shí)現(xiàn)三路分光，棱鏡2需要在前表面發(fā)生全反射，如果采用常規(guī)組合棱鏡方法膠合，無法滿足光從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)的全反射條件，因此，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的改善?？紤]實(shí)際使用條件，在棱鏡1和棱鏡2之間增加空氣間隙來滿足發(fā)生全反射的條件。所以在根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算三路光的光程時(shí)，以第三路近紅外光的光程為基準(zhǔn)，進(jìn)行計(jì)算。

通過設(shè)計(jì)計(jì)算最終的結(jié)構(gòu)如圖7所示。棱鏡1的入射面垂直于物鏡的光軸。入射光從棱鏡1（a）面進(jìn)入到（b）面形成二向分色，紅光和近紅外光透射，藍(lán)綠光反射到面（a）發(fā)生全反射，射出面（c），進(jìn)入傳感器；紅光和近紅外光從棱鏡的面（b）進(jìn)入到面（e）形成二向分色，近紅外光透射，紅光反射到棱鏡2的表面上產(chǎn)生全反射，棱鏡1與棱鏡2的斜面間存在0.03 mm的空氣間隙，紅光從面（d）及補(bǔ)償鏡片1射出，進(jìn)入傳感器；近紅外光從棱鏡面（e）及補(bǔ)償鏡片2射出，進(jìn)入傳感器［11-13］。

圖7 分光棱鏡系統(tǒng)最終的結(jié)構(gòu)圖

色選鏡頭要求三路光的放大倍率差小于0.000 1，不同顏色的光折射率不同，所以三路光的有效焦距不同，影響放大倍率的指標(biāo)為光學(xué)系統(tǒng)的焦距。因此，保證三路光的焦距一致，就可以保證三路光的放大倍率要求。在設(shè)計(jì)時(shí)以第一路藍(lán)綠光為基準(zhǔn)，通過ZEMAX軟件設(shè)計(jì)計(jì)算，第二路紅光的理論焦距與第一路藍(lán)綠光的理論焦距近似，因此略微調(diào)整紅光的后截距，改變紅光光路的理論焦距，使其與第一路光的理論焦距相等；第三路近紅外光后增加了一個(gè)平凸透鏡，近紅外光路的理論焦距調(diào)整到與第一路光焦距一致。此時(shí)第二路和第三路光的成像質(zhì)量略微下降，但是依然滿足成像要求。

使用LensFC-AT焦距儀對(duì)三路光的焦距測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，以第一路焦距為基準(zhǔn)，第一路焦距與第二路焦距之差為0.002 2，兩路放大倍率差為0.000 07；第一路焦距與第二路焦距之差為0.000 8，兩路放大倍率差為0.000 03。則滿足三路光的放大倍率差小于0.000 1。

表3 各路光焦距的多次測(cè)量值

2.2 三路分光棱鏡色選濾光膜的研制

棱鏡的分色是通過光學(xué)薄膜實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)棱鏡分光系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要保證三路光的準(zhǔn)確性，同時(shí)又不能出現(xiàn)雜散光，分光光路圖如圖7所示。第一路光為400～570 nm，第二路光為610～700 nm，第三路光為750～930 nm。

對(duì)分光薄膜設(shè)計(jì)要求是：第一路光，入射角度θ0=23°，400～570 nm波段反射，要求反射波段反射率大于95%，610～930 nm波段透過，透過率大于95%；第二路光，入射角度θ0=11.5°，750～930 nm波段透過，透過率大于95%，610～700 nm波段反射，要求反射波段反射率大于95%；第三路光，750～930 nm波段透過，透過率大于95%。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)要求三路透過率大于80%。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要鍍制增透膜和長(zhǎng)波通濾光膜兩種膜。基底材料為K9玻璃，選用Ti3O5和SiO2作為高低折射率的薄膜材料。利用TFC膜系設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，采用成都西沃克700真空鍍膜機(jī)進(jìn)行鍍制，實(shí)驗(yàn)制備主要的工藝參數(shù)如表 4所示［14-18］。

表4 Ti3O5和SiO2沉積工藝

利用UV-3150分光光度計(jì)分別對(duì)所鍍制樣品進(jìn)行測(cè)試分析，得到的透過率測(cè)試曲線結(jié)果分別如圖8—圖12所示。

圖8 在全光譜400～930 nm波段范圍內(nèi)單面增透膜的實(shí)測(cè)透過率曲線

圖9 第一光路單面分光膜的實(shí)測(cè)透過率曲線

圖10 第一光路400～570 nm波段范圍內(nèi)單面增透膜的實(shí)測(cè)透光率曲線

圖11 第二光路單面分光膜的實(shí)測(cè)透光率曲線

圖12 第二光路單面增透膜的實(shí)測(cè)透過率曲線

從圖中可以看出，在全光譜400～930 nm范圍內(nèi)的平均透過率為97%，第一光路，分光膜在400～570 nm平均透過率為0.15%，610～930 nm平均透過率為98.4%，增透膜400～570 nm平均透過率為97%；第二光路，分光膜610～700 nm平均透過率0.03%，750～930 nm平均透過率為97.2%，增透膜610～700 nm平均透過率98.4%；第三光路，750～930 nm為97.2%，滿足色選光學(xué)成像系統(tǒng)光譜使用要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將所研制的分光器件放置于谷物色選鏡頭中進(jìn)行驗(yàn)證，圖13為所研制的色選光學(xué)鏡頭系統(tǒng)。色選能力主要取決于CCD棱鏡相機(jī)光譜響應(yīng)曲線與背景板光譜曲線的響應(yīng)接近程度，如圖14所示為CCD棱鏡相機(jī)三路光譜響應(yīng)曲線圖，圖14（a）為原理樣機(jī)采集光譜響應(yīng)曲線圖，圖14（b）為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采集的光譜響應(yīng)曲線。對(duì)比分析表明所研制的三路分光器件能夠使CCD相機(jī)在400～930 nm有良好的分光效果，有效實(shí)現(xiàn)谷物色選。

圖13 色選光學(xué)鏡頭

圖14 CCD相機(jī)棱鏡三路光譜響應(yīng)曲線圖

4 結(jié)論

本文研制了一種可見及近紅外三路谷物色選光學(xué)成像系統(tǒng)分光器件。首先運(yùn)用ZEMAX軟件對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了分光器件的參數(shù)指標(biāo)；然后采用不規(guī)則棱鏡組合實(shí)現(xiàn)了光路折轉(zhuǎn)；并采用光學(xué)薄膜實(shí)現(xiàn)400～570 nm、610～700 nm、750～930 nm三路光的分色，滿足了多類谷物色選系統(tǒng)三路分光的要求。對(duì)所研制的分光器件進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三路分光器件能夠區(qū)分、選別絕大多數(shù)的谷物中異色粒和雜質(zhì)，解決了二路色選系統(tǒng)分選單一性、分選效果差、選凈率低等方面的缺陷，提高了凈選率。