CN101907772B - 红外与微光多光谱融合前端光机结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外与微光多光谱融合前端光机结构，包括外壳、楔形底座、第一通光孔、第二通光孔、视频线、微光像增强器电池、微光物镜、微光像增强器、红外物镜、红外探测器，在微光物镜前端，设置有光楔，红外物镜与连结在红外物镜后的红外探测器组成红外探测装置，微光物镜和连接在微光物镜后的微光像增强器组成微光探测装置，楔形底座固定在盒体内部，红外探测器与微光像增强器固定在楔形底座上，红外探测装置和微光探测装置在竖直方向上下放置，红外物镜和微光物镜的光轴位于同一竖直平面内平行，光轴夹角≤0.1mRad；红外物镜与微光物镜具有相同的视场角度。该结构加工简单，配准精度、成像效果良好，具有很好的市场前景。

Description

红外与微光多光谱融合前端光机结构

技术领域

本发明属于光电产品前端光机结构领域，特别是一种具有光轴调整的平行光轴的红外与微光多光谱融合前端光机结构。

背景技术

多光谱融合图象探测装置最终实现的图象匹配融合，图象融合技术的实现必须在图像配准的基础上。图像配准是要将各幅参与融合的图像进行空间配准。图像融合对配准精度有较高的要求，如果空间误差超过一个像素，则融合结果会出现重影，严重影响融合图像的质量。而图象匹配的实现，一方面在于后期配准算法实现，另一方面则取决于前端红外探测装置和微光探测装置的光学设计制造。光学系统的作用是红外视频和微光视频的光学通路，为后面的图像配准、图像融合提供高质量的图像。由于融合系统采用的是像素级融合，对前端系统的视场、光轴都有严格的精度要求。所以前端系统的设计对整个融合系统的研制有着至关重要的作用。

双传感器的像素级配准是设计中的一个难题，如果两个传感器所用的光学系统和光路一样，那么这个问题就迎刃而解了。现有的共光轴系统主要采用的是图1设计，原理是利用一片半反半透镜将两个波段的光分离。这里两个传感器共用同一个光学系统，光轴相同、视场相同，那么它们获得的两幅图像就是完全配准的图像。

但是在实际应用中，这种设计并不容易实现。首先，由于红外与微光的成像波段不同，两块半透半反镜镀膜的透射率必然不尽相同，这对于镀膜工艺要求较高，透射率的选择也较困难；其次，从图1可以看出，要达到配准的要求，必须使得进入两个传感器的光线平行，所以，两块半透半反镜必须平行，这使得该设计的平行精度要求很高，这在工艺上实现也较为困难。并且，由于这种镜片的特殊镀膜方式，使得光通过半透半反镜片后，光信号有一定的衰减，特别是微光图像不管是反射还是透射，在照度较低(小于10^-41x)的条件下，光能的损失使得本来就微弱的微光图像变得几乎看不见，这样就限制了系统的性能，降低了融合系统的增强效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计简单，加工方便，操作容易，具有较好配准效果和成像质量的红外与微光多光谱融合前端光机结构。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种红外与微光多光谱融合前端光机结构，包括外壳、楔形底座、第一通光孔、第二通光孔；视频线、微光像增强器电池、红外探测装置、微光探测装置、楔形底座固定在盒体内部，红外探测器与微光像增强器固定在楔形底座上，红外探测装置由红外物镜与连结在红外物镜后的红外探测器组成，微光探测装置由微光物镜和连接在微光物镜后的微光像增强器组成，所述的红外探测装置和微光探测装置在竖直方向上下放置，并且红外探测装置和微光探测装置的光轴位于同一竖直平面内平行，光轴夹角≤0.1mRad；红外物镜与微光物镜具有相同的视场角度。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)该前端光机结构基于平行光轴而非共光轴设计，从而避免了复杂的半反半透镜制作工艺，并且不存在现有共光轴设计中的光信号衰减问题；(2)光轴平行度经过光轴调校装置严格校准，光轴夹角≤0.1mRad，两个探测器对目标90％以上的视场重合度；利用光楔对微光探测装置进行光路微调，进一步提高两个探测系统对目标的重合度，从光机结构上为图像配准提供了保证，通过电路算法进行精确像素配准，就能实现图像的精确配准；(3)该装置体积适中，便于携带，操作和使用非常方便。

附图说明

图1双传感器共光轴设计的光路图。

图2双传感器平行光轴的成像图。

图3双传感器光轴不平行的成像图(传感器夹角α＞90°)。

图4光楔的光轴平移性原理图。

图5光楔对微光成像光路的改变图。

图6是本发明专利的内部结构示意图。

图7是本发明专利的外观图。

图8本发明专利的带有光楔的微光探测装置图。

图9是本发明专利的微光像增强器图。

图10是本发明专利的红外探测器图。

图11是本发明专利的微光物镜图。

图12是本发明专利的红外物镜图

具体实施方式

发明原理：

1.双目成像系统理论

红外成像系统和微光成像系统可以看成一个双目成像系统，双目成像可获得同一场景的两幅视点不同的图像，双目成像时的模型可看作是由两个单目成像模型组合而成。实际成像时，这两个单目成像可用两个单目系统同时采集来实现，也可用一个单目系统先后在两个位姿分别采集来实现(这时一般设被摄物和光源没有移动变化)。

根据现有的条件，在我们的最终前端光学系统设计中，我们采用了如图2所示的平行光轴的设计，在现有的技术条件下，这种设计无论在工艺上、成像质量上都有保证。两个传感器的镜头视场相同，系统可以看成一个双目成像系统，双目成像时的模型可看作是由两个单目成像模型组合而成。视场θ(单位是mrad)可由式(1)求出，这里的f是光学镜头的焦距，d是图像传感器的边长，u目标的距离，两镜头中心距离b。

镜头的视场θ(单位mrad)可以由下式求得：

$\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}/2)=\frac{d}{2f}---\left(1\right)$

由图2可以看出这两个镜头的视场并没有完全重合，上下分别有b的冗余，那么它们的视场重合度可以表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2\mathrm{utg}(\mathrm{\θ}/2)-b}{2\mathrm{utg}(\mathrm{\θ}/2)}$ (2)

$=1-\frac{b}{2\mathrm{utg}(\mathrm{\θ}/2)}$

如果令

则式(2)就变成

ε＝1-Δ(3)

式中Δ足够小，那么ε就接近于1.

也就是说，如果两个镜头的中心距离足够小，观察距离相对两个镜头的中心距离又比较大，那么两个镜头的视场的重合度就无限接近于1，在这种条件下，可以把两个视场看作完全重合，在我们实际应用中，u的值一般较大，一般是几到几十千米，而b一般是几厘米，基本上符合这个条件。在我们的实际测试中，只要视场重合度ε大于90％，通过系统的二次配准就能达到较好的融合效果。

如果两个光轴不平行，传感器有一定的夹角α＞90°如图3，由图中可以看出在一定的距离上两个视场完全重合，但是由于成像得角度发生了变化，两个传感器上得到的图像发生畸变，在后续的融合处理中会严重的影响融合质量。

由上面的讨论可知，探测器光轴平行度也是影响前端性能的主要是指标，即两个光学系统的光轴夹角。根据视场重合度计算公式(2)，我们得到以下的修正公式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2\mathrm{utg}(\mathrm{\θ}/2-\mathrm{\β}/2)-b}{\mathrm{utg}(\mathrm{\θ}/2+\mathrm{\β}/2)+\mathrm{utg}(\mathrm{\θ}/2-\mathrm{\β}/2)}---\left(4\right)$

式中β是两个图像传感器光轴的夹角。

从以上分析可以得到设计融合系统前端光机的几个关键问题：a)两者必须具有几乎相同的视场；b)两者的光轴平行度要高。系统的前端性能主要是探测器光轴平行度，即两个光学系统的光轴夹角。假设探测系统两个探测器间距离b为0.1m，探测距离为100m，这是只要保证光轴夹角＜0.5mRad，即可达到90％以上的视场重合度。为了达到较高的视场重合度，我们的系统的前端设计为：(1)红外与微光探测器光轴夹角≤0.1mRad；(2)两物镜视场角度大小一样。

2.光楔光轴平移原理

折射角很小的棱镜称为光楔。由于折射角α很小，其偏向角公式可以大大简化。当入射角很小时，偏转角为：

δ＝α(n-1)(5)

若两个光楔折射角均为α，相隔一微小间隙，当两光楔主截面平行放置，且光轴相差180°时，如图4所示，所产生的偏向角为零，从而达到光轴平移的目的。当两光楔沿轴向相对距离为△z时，出射光线相对于入射光线在垂直方向产生的位移为Δy：

Δy＝(n-1)αΔz

由于两探测器之间肯定存在一定距离，所以成像在两幅图像上的同一目标，肯定不能完全重合，而是存在一定的偏差。而利用光楔的光轴平移性，可以改变微光探测装置对目标成像时的光路，如图5所示，使得微光图像与红外图像中同一目标的重合度增加，从而达到配准的目的。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明公开了一种红外与微光多光谱融合前端光机结构，包括外壳7、楔形底座8、第一通光孔9、第二通光孔10、第一视频线5、第二视频线6.、微光像增强器电池12、红外物镜3、红外探测器4、微光物镜1、微光像增强器2。在本实施例中，所述盒体为整体的方形，盒体分为外壳7和楔形底座8，楔形底座8用螺丝固定在外壳7内部，与外壳7呈90°垂直，楔形底座8上开有两个固定孔。红外探测器4与微光像增强器2分别安装嵌入底座上下两个固定孔内，红外探测装置由红外物镜3与连结在红外物镜3后的红外探测器4组成，微光探测装置由微光物镜1和连接在微光物镜1后的微光像增强器2组成，所述的红外探测装置和微光探测装置在竖直方向上下放置，并且红外物镜3和微光物镜1的光轴位于同一竖直平面内平行，用精度为0.05mRad的光轴调校系统对其进行校正，使得光轴夹角≤0.1mRad；红外物镜3与微光物镜1具有相同的视场角度。在微光物镜1前端，还设置有光楔11，光楔11固定在微光物镜1镜框内，光楔11与镜框内径大小一致。如图8所示，光楔11的折射角和折射率可以根据实际要求调整，如果配准精度较高，则可以选择折射角和折射率较大的光楔，从而到达更大的光路调整效果。该前端光机结构的外壳7为封闭的盒体式结构，在红外物镜3与微光物镜1正前方的壳板上分别开有第一光孔9、第二通光孔10，第一、第二通光孔9、10分别位于两个物镜的轴线上；第一视频线5连接微光像增强器2，第二视频线6连接红外探测器4，在盒体后方设有通孔开有第一、第二圆孔和一个横槽口，两根视频线的另一端分别穿过第一、第二圆孔后与处理电路板连接，红外探测器4的电路控制接口通过该横槽口接出，微光像增强器电池12置于外壳后方与微光像增强器2连接，为其提供电源。

使用时，打开微光像增强器2与红外探测器4的电源，选取目标开始成像，光源分别进入红外物镜3与微光物镜1。具体实施例参数如表1所示。从表中可以看出，两个探测装置的光轴夹角越小，则两者的视场重合度越高。另外，目标距离探测器越远，则视场重合度会越高。所以，当目标成像距离较大时，该融合前端已经能达到较好的配准效果。然后，利用光楔的光轴平移性，可以改变微光探测装置对目标成像时的光路，使得微光图像与红外图像中同一目标的重合度增加，从而达到配准的目的。特别是，当目标成像距离很大时，探测装置间的距离相对于成像距离而言几乎可以忽略不计，光楔的这种微调作用就非常明显，该前端光机结构能够有效配准，之后再经过电路中配准算法处理，对图像进行几个像素的精确配准，就能够对图像精确配准。

表1  具体实施例

Claims (2)

1.一种红外与微光多光谱融合前端光机结构，包括外壳(7)、楔形底座(8)、第一通光孔(9)、第二通光孔(10)、第一视频线(5)、第二视频线(6)、微光像增强器电池(12)、微光物镜(1)、微光像增强器(2)、红外物镜(3)、红外探测器(4)，外壳(7)为封闭的盒体式结构，楔形底座固定在盒体内部，红外探测器(4)与微光像增强器(2)固定在楔形底座上，红外物镜(3)与连接在红外物镜(3)后的红外探测器(4)组成红外探测装置，微光物镜(1)和连接在微光物镜(1)后的微光像增强器(2)组成微光探测装置，其特征在于：所述的红外探测装置和微光探测装置在竖直方向上下放置，并且红外物镜(3)和微光物镜(1)的光轴位于同一竖直平面内平行，光轴平行度经过光轴调校装置校准，光轴夹角≤0.1mRad；在微光物镜前端，设置有光楔(11)，光楔(11)固定在微光物镜镜框内，光楔(11)与镜框内径大小一致；红外物镜(3)与微光物镜(1)具有相同的视场角度，在红外物镜(3)与微光物镜(1)正前方的盒体上分别开有第一通光孔(9)、第二通光孔(10)，第一、第二通光孔(9、10)分别位于两个物镜的轴线上。

2.根据权利要求1所述的红外与微光多光谱融合前端光机结构，其特征在于：在盒体后方开有第一、第二圆孔和一个横槽口，两根视频线(5、6)的另一端分别穿过第一、第二圆孔后与处理电路板连接，红外探测器(4)的电路控制接口通过该横槽口接出，微光像增强器电池(12)置于外壳(7)后方与微光像增强器(2)连接。

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