12、数字激光折射图记录与处理系统详解

数字激光折射图记录与处理系统详解

1. 图像记录与处理系统要求

在激光折射测量中，入射的结构化激光辐射穿过被研究介质后，会在毛玻璃屏幕上形成二维空间照明分布形式的激光折射图，通常使用数字照片或视频相机进行记录。相机及其软件特性的要求主要由激光折射测量系统的实际任务决定。由于通过测量透明介质折射率梯度解决的问题范围广泛，难以制定通用激光光电测量系统的要求。但对于用于研究光学非均匀介质的实验室折射系统，可以在一定程度上评估其光电部分的要求。

记录的信号是激光辐射穿过感兴趣介质后在毛玻璃屏幕平面上的二维（直角坐标）照明分布。从被研究介质出口处记录的辐射的主要特性和参数包括：
- 照明动态范围
- 辐射光谱特性
- 时间特性（照明相关时间、脉冲或连续波辐射源）
- 空间特性（空间频谱、空间相关窗口）

激光折射测量中屏幕照明的变化范围通常不超过30 - 50 dB。使用的探测辐射源包括氦 - 氖、氩、红宝石、钕或半导体激光器，可在连续波或脉冲模式下工作。所研究的非平稳过程的时间常数影响照明分布的变化率，范围从几毫秒到几十秒。典型折射图的空间频率为1 - 100 mm⁻¹。这些参数使得传统的模拟光学图像记录设备无法用于激光折射系统，只能使用最新的数字视频设备来获取屏幕照明的二维空间分布及其变化的数据。将空间照明分布转换为数字数据阵列的质量决定了能否获得穿过被研究光学非均匀介质的辐射光学参数的最大可实现估计。

2. 数字激光折射图记录系统

2.1 折射图记录系统的主要特性

专用数字激光折射图记录系统的装备包括光电转换器、模数转换器（ADC）和计算机 - 视频接口。软件是决定折射图像记录和读取质量的重要元素。

目前，典型的图像记录系统最广泛使用的是基于电荷耦合器件（CCD）的矩阵光电传感器形式的光电转换器。CCD是构建用于执行科学和技术任务的专用照片和视频相机的基础。基于CCD的现代视频相机应用于各种测量系统、光谱分析仪和非接触式精密仪器等。CCD的广泛使用得益于固态半导体器件的特性，如刚性光栅、光学图像几何坐标与视频信号记录时间坐标的精确绑定、可在CCD结构中进行初步信号处理、光传输特性的线性、低电源电压、高可靠性等。CCD的一个极其重要的优点是其与PC的理想兼容性，这使得可以通过编程控制视频相机的操作，使其适应各种条件，并通过标准接口将视频信号记录在计算机硬盘上。

基于CCD构建的现代专业视频系统的性能能够满足以二维屏幕照明分布形式记录折射图的要求。当CCD输出的模数转换器的位容量为12位时，记录的光信号动态范围超过60 dB。标准视频相机的分辨率范围从582×782到2048×2048像素，专用相机的分辨率可达4096×4096像素。曝光时间可以从几微秒到几十分钟不等（前提是有外部冷却）。可以通过编程控制相机的放大倍数，并实时将图像读取到计算机内存中。相机中的所有过程（电荷包存储、将前一帧转换为数字数据阵列、数据传输）可以同时进行，因此可以在电视和逐帧操作模式下连续记录和观察视频信号，并将其读取到计算机硬盘上。标准CCD的光谱特性允许与容易获得的激光器配合使用。

2.2 基于数字相机的折射图记录系统

当需要获取快速过程的折射图或实验的视频时，使用数字视频相机是合适的。如果目标是在个别时刻获取照明分布的图像，那么成本和尺寸远小于视频相机的数字相机就足够了。目前有各种不同特性的数字相机可供选择。在记录折射图时，相机的有效像素数、灵敏度、物镜焦距、曝光范围和ADC的位容量等特性最为重要。以下是Konica Minolta Dimage Z20数字相机的技术数据：
| 特性 | 详情 |
| ---- | ---- |
| CCD矩阵 | 1/2.5英寸 |
| 有效像素数 | 5000000 |
| 灵敏度（ISO） | 自动；等效50、100、200、320 ISO |
| 纵横比 | 4:3 |
| 最大光圈 | f/3.2（广角镜头），f/3.4（长焦镜头） |
| 焦距 | 6 - 48 mm |
| 最小对焦距离（距CCD矩阵） | 0.57 m（广角镜头位置）；1.57 m（长焦镜头位置）；0.08 - 1.07 m（超级微距模式） |
| 快门 | 电子、机械 |
| 曝光范围 | 1/2000 - 4 s |
| LCD | 3.8 cm（1.5英寸），TFT，彩色 |
| ACD位容量 | 10 |
| 文件格式 | JPEG，Motion JPEG（mov，无音频） |

该相机通过USB端口与计算机连接，可通过特殊软件在线显示和记录图像。

2.3 基于SONY视频相机的折射图记录系统

基于SONY DCR - VX - 2000E半专业数字视频相机的折射图像记录系统的主要特性如下：
| 特性 | 详情 |
| ---- | ---- |
| 类型 | 高端数字视频相机 |
| 感光元件 | CCD 3×1/3英寸，450000像素 |
| 物镜 | 12倍光学变焦；6 - 72 mm。光圈比f/1.6 - f/2.4 |
| 对焦 | 自动、手动 |
| 数字放大 | 48倍 |
| 图像稳定 | 超级防抖（光学） |
| 照明范围 | 2 lx（夜间拍摄） - 超级夜视0.1 lx |
| 最大快门速度 | 1/10000 s |
| 记录格式 | mini DV，JPEG |

使用该相机记录折射图的经验表明，以下拍摄模式最受欢迎：
- 手动对焦模式
- 逐行扫描模式
- 光圈优先模式
- 曝光优先模式（记录非平稳过程）

相机通过IEEE 1394接口与计算机连接，该接口具有以下特点：
- 使用串行总线而非并行接口
- 支持热插拔
- 通过IEEE 1394接口电缆为外部设备供电
- 高数据传输速率
- 可组成不同配置设备的网络
- 配置简单且功能丰富
- 支持异步和同步数据传输

如果对相机传来的数据进行在线处理，IEEE 1394接口提供的视频相机 - 计算机图像传输类型可以使实验保持较高的效率。

2.4 Videoscan - 285/B - USB数字视频系统

Videoscan - 285/B - USB专用数字视频系统用于将黑白图像读取到计算机内存中，应用于科学和技术的各个领域。该系统包括光电转换器、光接收器控制电路、ADC电路和视频相机 - 计算机接口电路。系统中使用的替换物镜是决定所获图像质量的重要组件。

该系统的光学 - 电信号转换通过基于ICX285 AL CCD的光敏电路实现。它包含一个光敏矩阵区域，在光辐射作用下会形成由孤立电荷包组成的电荷分布。每个电荷包的电荷量由形成该电荷包的矩阵区域的照明、该区域的大小和电荷积累时间（曝光时间）决定。ICX285 AL CCD中的矩阵元素（像素）数量为1392×1040，像素大小为6.45×6.45 µm，光敏区域尺寸为8.98×6.7 mm。

光接收器控制电路产生脉冲电压，用于控制矩阵光接收器元件的操作，包括电荷积累和存储、电荷从积累区域转移到存储区域、逐行将电荷转移到输出设备以及逐元素读取电荷包。积累的所有电荷包都转移到存储区域，然后逐行读取每行的元素。电荷积累的开始由使用的同步类型决定，可以是内部（光接收器控制电路中的同步发生器）或外部（计算机程序信号或外部同步信号）。将电荷包转换为负载电阻上电压的输出设备允许直接以电荷形式集成多个像素（2×2或4×4）。这种转换会按比例增加电荷包的信号部分和相机的最大帧频，但自然会降低其空间分辨率。离散模拟读数放大并转换为数字形式后，得到的数字数据进入缓冲存储器。在8位模式下操作时，相机的相对输出信号电平范围为0到255相对单位。

电荷积累、读取前一帧、将模拟数据转换为数字阵列以及通过USB端口将其输入计算机的过程同时进行。系统的操作由专用软件控制。ICX285 AL CCD的光谱特性形式是典型的硅半导体衬底特性，在辐射波长约为0.5 µm时，视频相机的光谱灵敏度达到最大值，在0.4 µm和0.8 µm波长处下降到一半，这使得可以记录氩、红宝石和氦 - 氖激光器的辐射。

以下是Videoscan - 285/B - USB系统与SONY DCR - VX - 2000E半专业数字视频相机的比较特性：
| 特性 | Videoscan - 285/B - USB | SONY DCR - VX - 2000E |
| ---- | ---- | ---- |
| 图像形成设备 | 1个黑白CCD矩阵×1447680像素 | 3个彩色CCD矩阵×450000（1350000）像素 |
| 图像格式 | 1392×1040、696×520、348×260 | 880×228 |
| 记录格式 | .bmp文件 | DV |
| 最小照明 | - | 2 lx（F1.6） |
| ADC位容量 | 8、10 | 12 |
| 电荷积累时间（曝光） | 3.5 μs - 10 min | 0.1 ms - 0.3 s |
| 同步模式 | 内部、程序、外部 | 内部、程序、外部 |
| 扫描 | 逐行 | 逐行、隔行 |
| 帧频（Hz） | 7.7 | 30 |
| 快门类型 | 电子 | 电子 |
| 分辨率 | 500 TVL | 530 TVL |

分析表明，就激光折射任务而言，Videoscan - 285/B - USB系统在曝光范围、分辨率元素数量和图像存储格式等方面具有优势。

在对该数字折射图记录系统进行实验时，通过对相机记录图像像素的照明水平进行统计平均，计算其输出信号的平均值和方差，确定了系统的一些特性。为了正确表示折射图范围内的照明分布，相机输出信号电平的照明依赖性应为线性。通过使用偏振器改变放置在相机前的毛玻璃屏幕的照明水平进行研究，结果表明相机的光传输特性足够线性。

为了正确选择图像记录模式，研究了曝光时间Tex和电子电路放大系数Ka对相机输出信号参数的影响。在Ka值为1到100时，曝光时间Tex < 0.5 s时，记录信号电平的平均值与曝光时间的关系曲线几乎呈线性；当Ka值较高时，曝光时间Tex > 0.2 - 0.3 s时，曲线变得明显非线性。随着曝光时间的延长，输出信号电平的均方根（RMS）偏差增加，这是由于各种噪声积累的影响。在记录弱光信号时，热产生噪声的影响变得重要，其对图像的贡献随着曝光时间的增加而增大。当照明较强且曝光时间较短时，输出信号噪声分量的主要贡献来自于记录的光辐射的散粒噪声。

在选择最佳折射图处理算法时，了解CCD相机在工作照明条件下输出信号的统计特性非常重要。例如，在均匀背景照明条件下记录的视频图像帧，其输出信号的相对平均电平为173相对单位。分析表明，在足够均匀的照明条件下，帧内仍存在噪声分量，其分布规律接近高斯分布，且空间分离的图像元素的信号电平在均匀照明条件下几乎不相关。而在弱背景照明条件下，相机输出信号的噪声分量明显受到量化噪声的影响。

图像记录的特性不仅受各种噪声（图像记录过程的散粒噪声、CCD的热产生噪声、ADC的量化噪声）的影响，还受电子光接收器控制电路的电噪声干扰的影响。由于主要的噪声干扰源是脉冲周期性的行和帧扫描信号，这些噪声干扰水平可以在频谱域中最容易地估计。实验表明，随着照明水平的降低，空间频谱中个别谐波分量对输出信号的相对贡献明显增加。通过分析在黑暗操作条件下获得的图像帧，可以最明确地揭示电子电路噪声干扰的空间频谱的谐波组成。

3. 系统分辨率与误差估计

光电记录系统的重要特性包括其提供的分辨率和所获图像中图像元素位移的估计误差。对于这种系统分辨率的衡量，可以直接使用图像中可分辨线条之间的最小线段长度∆L或其倒数（每毫米可分辨线条数）。

使用AVENIR SE5018物镜（焦距为50 mm，相对孔径为1:1.8到1:16）的Videoscan - 285/B - USB视频记录系统的分辨率特性通过分辨率测试图进行了实验评估。分辨率测试图是一个透明板，上面有一个包含25个元素（大方块）的表格，每个元素的线间距不同。

分辨率测试图的主要特性如下表所示：
| 测试图编号 | 图基（mm） | 每1 mm的线条数（最大，元素25号） | 每1 mm的线条数（最小，元素1号） |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 1 | 1.2 | 200 | 50 |
| 2 | 2.4 | 100 | 25 |
| 3 | 4.8 | 50 | 12.5 |
| 4 | 9.6 | 25 | 6.5 |
| 5 | 19.2 | 12.5 | 3.1 |

通过瑞利准则估计，在物镜到测试图距离为25 cm时，光学系统的最大可分辨线条数（在物平面）对应于测试图5号的25号元素，即每毫米12.5条线，最小可分辨线间距为80 µm。这表明该系统中可测量的折射图元素的最小位移也为80 µm。

测试图元素图像中的线间距通过光谱方法估计。测试图元素的理论线间距、实验测量的平均线间距以及光学系统的放大常数估计值如下表所示：
| 测试图元素编号 | 11 | 16 | 21 | 25 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 理论线间距（μm） | 178 | 133 | 100 | 80 |
| 测量的平均线间距（μm） | 45.5 | 34.1 | 24.5 | 19.9 |
| 估计的放大常数ß | 0.256 | 0.255 | 0.245 | 0.249 |

在物镜到测试图距离为25 mm、物镜焦距为50 mm时，估计的光学系统放大常数Γ约为0.25。尽管这是一个近似值，但放大常数的估计值彼此足够接近（相对RMS偏差仅为1.8%），并大致对应于理论值。

为了估计测量折射图元素空间位移的误差，通过千分尺位移装置使分辨率测试图移动，并测量其位移。处理算法是根据原始图像和位移图像在x轴上平均的一维空间强度分布的傅里叶光谱的一次谐波之间的相位差来估计测试图小方块图像的位移。计算使用了上述表中的放大常数值。实验结果如下表所示：
| 诱导测试图位移（μm） | 测试图元素编号 | 估计的图像位移（μm） | 估计的测试图元素位移（μm） |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 50 | 11 | 11.8 | 46.3 |
| 50 | 16 | 12.2 | 47.7 |
| 50 | 21 | 11.9 | 48.5 |
| 50 | 25 | 12.2 | 48.9 |
| 500 | 11 | 122 | 477 |
| 500 | 16 | 122 | 478 |
| 500 | 21 | 121 | 495 |
| 500 | 25 | 123 | 495 |

分析这些结果表明，通过处理单个图像元素的数据估计的图像位移值相差不超过1%，这表明随机测量误差分量较小。对于21号和25号测试图元素，测量测试图位移的估计系统误差分量为5 µm，约为1%。该误差值明显小于之前估计的分辨率80 µm，这并不矛盾，因为测试图位移是通过处理测试图图像中单个元素（小方块）内的多个空间周期性线条来测量的。

通过对基于Videoscan - 285/B - USB矩阵CCD视频相机和AVENIR SE5018物镜的光电数字折射图记录系统的实验研究，可以得出以下结论：
1. 在可控照明条件下记录光辐射，可以估计相机光传输特性的线性区域，并正确选择其放大常数和曝光时间。
2. 在黑暗操作条件下，CCD相机输出的噪声电平的平均值和RMS偏差与曝光时间的关系在长时间曝光时呈线性，这证实了在这些条件下热产生噪声占主导地位，电子电路操作产生的电噪声干扰的相对水平及其对噪声电平最终RMS偏差的影响降低。
3. 如果观察对象的照明较强且曝光时间较短，输出信号噪声分量的主要贡献来自于记录的光辐射的散粒噪声，相机输出信号的方差与对象的照明成正比。
4. 在观察对象的区域均匀且静止照明条件下，相机输出信号电平（忽略电平量化，对图像像素求平均）的分布规律接近高斯分布，信号的二维空间自相关函数（ACF）在小位移区域有明显的峰值。
5. 当对象的照明较弱且曝光时间不是很长时，由于电子电路噪声干扰的影响，相机输出信号中空间频谱的个别谐波分量的相对贡献变得显著，表现为ACF信号电平的周期性空间调制。

4. 系统性能总结与应用建议

4.1 系统性能总结

综合上述对各类数字激光折射图记录系统的分析，不同系统在不同方面展现出各自的优势。基于CCD的现代专业视频系统凭借其高动态范围、可调节的分辨率和曝光时间等特性，能较好地满足激光折射图记录的一般需求。

系统类型	优势	劣势
基于CCD的专业视频系统	动态范围高、分辨率可调节、曝光时间范围广、与PC兼容性好	成本相对较高、体积较大
数字相机	成本低、体积小	不适用于记录快速过程
SONY DCR - VX - 2000E视频相机	多种拍摄模式、图像稳定功能好	照明范围有一定限制
Videoscan - 285/B - USB系统	曝光范围广、分辨率元素多、图像存储格式适合后续处理	帧频相对较低

4.2 应用建议

根据不同的应用场景，可以选择合适的记录系统：
- 快速过程记录 ：如果需要记录快速变化的折射图或实验视频，建议使用基于CCD的专业视频系统或SONY DCR - VX - 2000E视频相机。这些系统具有较高的帧频和较快的响应速度，能够捕捉到快速变化的图像信息。
- 特定时刻图像获取 ：对于只需要在个别时刻获取照明分布图像的情况，数字相机是一个经济实惠的选择。其成本低、体积小，能够满足基本的图像记录需求。
- 后续数字处理 ：如果需要对折射图进行后续的数字处理，Videoscan - 285/B - USB系统是首选。其图像存储为.bmp文件格式，方便进行各种数字处理操作。

4.3 系统操作流程

以下是使用数字激光折射图记录系统的一般操作流程：

graph LR
    A[准备设备] --> B[设置相机参数]
    B --> C[调整照明条件]
    C --> D[记录折射图]
    D --> E[数据传输到计算机]
    E --> F[数据分析与处理]

1. 准备设备 ：选择合适的记录系统，连接好相机、计算机和其他必要的设备。
2. 设置相机参数 ：根据实验需求，设置相机的分辨率、曝光时间、放大倍数等参数。
3. 调整照明条件 ：确保被研究介质的照明均匀且稳定，可通过调整激光源或使用偏振器等方式进行调节。
4. 记录折射图 ：启动相机，开始记录折射图。可以选择连续记录或在特定时刻进行记录。
5. 数据传输到计算机 ：将相机记录的数据通过接口传输到计算机中。
6. 数据分析与处理 ：使用相应的软件对传输到计算机的数据进行分析和处理，提取所需的信息。

4.4 误差控制与优化

在使用数字激光折射图记录系统时，需要注意控制误差，以提高测量的准确性。以下是一些误差控制和优化的建议：
- 选择合适的放大常数和曝光时间 ：根据被研究介质的特性和照明条件，选择合适的放大常数和曝光时间，以确保相机的光传输特性处于线性区域。
- 减少噪声干扰 ：尽量减少各种噪声的影响，如通过降低环境温度减少热产生噪声，使用滤波技术减少电噪声干扰等。
- 定期校准设备 ：定期对相机和其他设备进行校准，确保其性能稳定。

5. 未来发展趋势

随着科技的不断发展，数字激光折射图记录与处理系统也将不断进步。以下是一些可能的未来发展趋势：
- 更高的分辨率和动态范围 ：未来的系统可能会具备更高的分辨率和动态范围，能够更精确地记录折射图的细节和变化。
- 智能化处理 ：引入人工智能和机器学习技术，实现对折射图的自动分析和处理，提高处理效率和准确性。
- 小型化和便携化 ：系统将朝着小型化和便携化的方向发展，方便在不同的场景中使用。
- 多模态融合 ：将激光折射图记录与其他成像技术进行融合，提供更全面的信息。

总之，数字激光折射图记录与处理系统在光学研究和相关领域具有重要的应用价值。通过不断优化系统性能和提高处理技术，将能够更好地满足各种实验和应用的需求。