CN105530441A - 基于耦合透镜的红外与微光图像配准前端光机结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合透镜的红外与微光图像配准前端光机结构，包括外壳、楔形底座，红外探测器与微光像增强器固定在楔形底座上，红外成像装置由红外物镜、一组楔形玻璃和红外探测器组成，微光成像装置由微光物镜、微光像增强器、耦合透镜、CCD和转动部件组成。通过调节楔形玻璃的相对位置改变红外光学系统和微光光学系统的光轴夹角，以实现平行光轴的目的。根据镜头和探测器选择合适的耦合透镜使得到的微光图像和红外图像尺寸相同，通过旋转部件可以控制镜头和探测器旋转从而能够实现图像的旋转。

Description

基于耦合透镜的红外与微光图像配准前端光机结构

技术领域

本发明涉及对两路输入图像进行配准的机械结构，特别是一种对红外与微光系统图像进行配准的前端机械结构。

背景技术

在图像融合领域中，由于不同传感器获得的图像存在着尺寸与位置上的偏差，所以在进行图像融合之前需要对源图像进行配准，即以期中一幅源图像为基准，对其他源图像进行缩放，旋转和平移，使得源图像完全相同。

图像配准精度对于图像融合来说至关重要，即使只有一个像素的偏差，都会造成融合图像重影，严重影响融合图像的质量，使得图像融合失去了自身的优势。

多传感器的像素级配准现有的图像配准方法都是在前端光学结构中将所有传感器的光路调为共轴光学系统或者平行轴光学系统，然后在计算机上用配准算法对获得的图像进行缩放和平移，以达到配准的目的。这种方法将配准分成了两个部分，操作复杂，在计算机上的处理需要占用一定的资源。在资源一定的条件下，限制了融合系统所能使用的资源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现高精度配准的红外与微光融合系统的前端光机结构，使获得的图像不需经过计算机中的配准而能够直接用于图像融合。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于耦合透镜的红外与微光图像配准前端光机结构，包括红外物镜、红外探测器、红外探测器转动结构、微光物镜、双光楔、微光像增强器、耦合透镜、透镜持夹装置、光具座、CCD和外壳；红外物镜后接红外探测器，构成红外探测装置；微光物镜后接微光像增强器，微光像增强器后接耦合透镜，耦合透镜后接CCD,构成微光探测装置，光具座沿着微光光路的光轴方向摆放，光具座上设置有透镜持夹装置，透镜持夹装置能够在光具座上前后移动，透镜持夹装置上夹有耦合透镜，微光物镜前端放置一对双光楔，红外探测器上设有红外探测器转动结构，能够使红外探测器在竖直平面内转动；红外探测装置和微光探测装置在水平方向并排放置在外壳内，红外物镜和微光物镜对应的外壳前表面开有红外孔槽和微光孔槽，红外孔槽和微光孔槽分别位于红外物镜和微光物镜的轴线上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)该前端光机结构是基于平行光轴设计，从而避免了共光轴设计中所需要的复杂的半反半透镜制作工艺和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99％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，能够达到99％；(3)直接获得配准成功的红外图像和微光图像，可以直接用于后面的图像融合，无需经过计算机的二次配准，节约了计算机中的运算时间和空间；(4)该装置体积适中，便于携带，易于操作。

附图说明

图1是平行光轴设计图。

图2是双传感器光轴不平行的成像图(传感器夹角α＜90°)。

图3是双传感器光轴不平行的成像图(传感器夹角α＞90°)。

图4是双光楔光路图。

图5是本发明结构图。

图6是本发明外观图。

图7是本发明红外光路图。

图8是本发明微光光路图。

具体实施方式

本发明一种基于耦合透镜的红外与微光多光谱融合前端光机结构，包括外壳、楔形底座，红外探测器与微光像增强器固定在楔形底座上，红外成像装置由红外物镜、一组楔形玻璃和红外探测器组成，微光成像装置由微光物镜、微光像增强器、耦合透镜、CCD和转动部件组成。通过调节楔形玻璃的相对位置改变红外光学系统和微光光学系统的光轴夹角，以实现平行光轴的目的。根据镜头和探测器选择合适的的耦合透镜使得到的微光图像和红外图像尺寸相同，通过旋转部件可以控制镜头和探测器旋转从而能够实现图像的旋转。

发明原理

平行式立体视觉模型

红外成像系统和微光成像系统可以看作双目立体视觉系统中的平行式立体视觉模型，他们的光轴互相平行，双目视觉系统基于视差原理并利用成像设备从不同位置获得被测图像的数据。

根据现有的条件，在前端光机结构中采用了图1所示的平行光轴的设计，

视场θ(单位是mrad)可由公式求出，这里的f是光学物镜的焦距，d是图像传感器的边长，u目标的距离，两物镜中心距离b。

物镜1的视场2θ(单位mrad)可以由下式求得：

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

物距无限远，θ很小时，则有

$\mathrm{\θ}\≈\frac{d}{2f}---\left(2\right)$

由图可以看出这两个物镜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：

$\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=\frac{2\mathrm{u\θ}-b}{2\mathrm{u\θ}}\\ =1-\frac{b}{2\mathrm{u\θ}}\end{array}---\left(3\right)$

如果令则(3)就变成

ε＝1-Δ(4)

式中Δ足够小，那么ε就接近于1.

也就是说，如果两个物镜的中心距离足够小，观察距离相对两个物镜的中心距离又比较大，那么两个物镜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，在实际应用中，u的值一般较大，一般是几到几十km，而b一般是几cm，基本上符合这个条件。

如果两个光轴不平行，传感器有一定的夹角α＜90°，图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。α＞90°时，图3中两个物镜的视场重合度较小，并且随着距离的增大会越来越小，直至完全不重合。

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(3)，得到以下的修正公式：

$\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{utg\β}-b/2}{2\mathrm{utg\θ}}\\ \≈\frac{2\mathrm{utg\β}-b}{4\mathrm{utg\θ}}\end{array}---\left(5\right)$

式中2β是两个图像传感器光轴的夹角。

2、光楔旋转光轴原理

折射角很小的棱镜称为光楔，由于折射角很小，其偏向角公式可以大大化简为：

δ＝(n-1)α

即偏向角仅决定于楔角α和材料折射率n。

如图所示，双光楔折射角均为α，相隔一微小间隙，图当两光楔主截面平行且同向放置时，所产生的偏向角最大，为两光楔偏向角之和；当一个光楔绕光轴旋转180°时，所产生的偏向角为0，即入射光线与出射光线平行；当两光楔绕光轴相对旋转，即一个光楔逆时针方向旋转角，另一个光楔同时顺时针方向旋转角，两光楔产生的总偏向角δ随转角而变：

3、透镜成像原理

将光学系统近似看作理想光学系统，当物空间和像空间介质相同时则有：

$\frac{1}{l^{\′}}-\frac{1}{l}=\frac{1}{f^{\′}}$

其中，l为物距，l′为像距，f′为透镜焦距。

经过理想光学系统，物体的垂轴放大率:

$\mathrm{\β}=\frac{l^{\′}}{l}$

上述公式可以知道，通过调节耦合透镜的焦距和改变物距位置，可以得到不同大小的像。

下面结合附图对本装置作进一步阐述，

本发明包括红外物镜1、红外探测器2、红外探测器转动结构3、微光物镜5、双光楔6、微光像增强器7、耦合透镜9、透镜持夹装置10、光具座11、CCD12和外壳15，外壳15前表面开有红外孔槽16和微光孔槽17,红外物镜前端对准外壳上开的圆形红外孔槽16,后接红外探测器2，构成红外探测装置；微光物镜5前端对准外壳上开的圆形微光孔槽17,后接微光像增强器7，微光像增强器7后接耦合透镜9，耦合透镜9后接CCD12,构成微光探测装置，光具座11沿着微光光路的光轴方向摆放，光具座11上设置有透镜持夹装置10，透镜持夹装置10能够在光具座11上前后移动，透镜持夹装置10上夹有耦合透镜9，微光物镜前端放置一对双光楔6，红外探测器2上设有红外探测器转动结构3，能够使红外探测器2在竖直平面内转动；参见图6，红外探测器转动结构3是一个紧卡在红外探测器2上的圆形钢圈，钢圈的表面刻有均匀的槽，便于转动红外探测器2。

在红外探测装置中，场景通过红外物镜形成光学图像，再经过红外探测器转换成电信号，由红外视频线输出到外部计算机。在微光探测装置中，场景经过微光物镜形成光学图像，经过微光像增强器转成电信号并对其进行图像增强，，然后经过CCD采集，通过微光视频线传输到外部计算机。

其中红外探测装置和微光探测装置在水平方向左右放置，其红外物镜和微光物镜具有相同的视场角度，且红外物镜和微光物镜的光轴位于同一水平平面内,光轴平行度经过光轴调校装置校准,光轴夹角≤0.1mRad。

光楔的长度略小于微光物镜的镜框内径，使得双光楔可以卡在微光物镜镜框内，而且可以自由旋转。微光物镜所成的像通过微光像增强器的增强，得到增强后的图像，增强后的图像通过耦合透镜进行二次成像，这样，通过选择焦距合适的耦合透镜和恰当的物距，能够实现图像成比例的放大缩小。

使用时，同时打开红外成像装置和微光成像装置，将镜头对准被测景物，调节光楔使得光轴平行度一致，选择合适的耦合透镜并调节透镜位置使得两幅图像大小一致，调节转动结构使两幅图像在旋转方向上一致。通过以上调节，可以在计算机端得到配准后的红外和微光图像。

还可以为外壳加上如图7所示的上盖14，上面开有一条细长的方孔，露出红外探测器调节装置，便于调节而且简单大方。

Claims (4)

1.一种基于耦合透镜的红外与微光图像配准前端光机结构，其特征在于：包括红外物镜[1]、红外探测器[2]、红外探测器转动结构[3]、微光物镜[5]、双光楔[6]、微光像增强器[7]、耦合透镜[9]、透镜持夹装置[10]、光具座[11]、CCD[12]和外壳[15]；红外物镜[1]后接红外探测器[2]，构成红外探测装置；微光物镜[5]后接微光像增强器[7]，微光像增强器[7]后接耦合透镜[9]，耦合透镜[9]后接CCD[12]，构成微光探测装置，光具座[11]沿着微光光路的光轴方向摆放，光具座[11]上设置有透镜持夹装置[10]，透镜持夹装置[10]能够在光具座[11]上前后移动，透镜持夹装置[10]上夹有耦合透镜[9]，红外探测器[2]上设有红外探测器转动结构[3]，能够使红外探测器[2]在竖直平面内转动；红外探测装置和微光探测装置在水平方向并排放置在外壳[15]内，红外物镜[1]和微光物镜[5]对应的外壳[15]前表面开有红外孔槽[16]和微光孔槽[17]，红外物镜[1]前方对准红外孔槽[16]，微光物镜[5]前端放置一对双光楔[6]并对准微光孔槽[17]。

2.权利要求1中所述的基于耦合透镜的红外与微光图像配准前端光机结构，其特征在于：红外物镜[1]和微光物镜[5]具有相同的视场角度，且红外物镜[1]和微光物镜[5]的光轴位于同一水平平面内,光轴夹角。

3.权利要求1所述的基于耦合透镜的红外与微光图像配准前端光机结构，其特征在于：红外探测器[2]和CCD[12]后端连接传输线与外部计算机相连。

4.权利要求1所述的基于耦合透镜的红外与微光图像配准前端光机结构，其特征在于：所述红外孔槽[16]和微光孔槽[17]的直径分别大于红外物镜[1]和微光物镜[5]。