CN108205194A - 一种基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统，包括球形主镜、转像镜组和光电传感器，所述球形主镜将入射的可见光和长波红外线进行透射成像，形成一个可见光实像面和一个红外实像面，所述转像镜组位于所述实像面之后，所述可见光转像镜组将所述可见光实像面转像到所述可见光传感器进行成像；所述红外转像镜组将所述红外实像面转像到所述红外实像面传感器进行成像。本发明所提供的系统体积紧凑、成本低，具备可见光与红外(近/短波/中波/长波红外可选)复合的优势，可见光图像视场大、分辨率高，红外图像辅助增强目标的探测与识别。

Description

一种基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统。

背景技术

传统的高分辨率目标侦察相机视场角小，需要摆扫机构以扩大搜索视场，难以对大范围区域开展实时监视及宏观态势评估，而广角相机的分辨率又较低不足以探测识别目标，二者均不能满足现代战争对侦察设备的全面性、准确性、快速性要求。另一方面，现有光学系统的成像目的在于获取目标空间维信息，随着伪装与干扰技术的进步，传统单波段成像搜集的信息较为有限，已不能满足目标识别需求，扩展成像波段是增大信息量的重要手段。

受制于现有的探测器像面尺寸及高规格镜头成本，目前同时增大视场角和分辨率的方法是将多个常规镜头及相机按一定空间分布捆绑固定起来，使它们对应不同的视场，进而拼接成大视场高分辨率图像。但随着镜头焦距的增大，镜头前端口径也逐渐增大，进而整个系统的体积及重量也迅速增大，从而限制了该方案在一些小型平台上的选取。

应用在制导或其它吊舱平台上的光电系统，往往靠伺服机构搜索来达到保持分辨率不变的条件下扩大视场，但时敏性较差。采用捷联方案可取消伺服机构，若利用多镜头组合的方式形成大视场，则需要考虑不同视场下的镜头与窗罩匹配一致性的问题，如果采用球形窗罩或平板拼接，则由于多镜头系统前端口径比较大，窗罩也要求比较大，形成较大的气动阻力，如果进行保角窗罩设计，则会带来较大的设计及制造难度，成像质量也会有所下降。

在可见光与红外系统复合上，由于两种波段在对成像仪器及材料的要求上具有相对的独立性，往往分别独立设计可见光系统与红外系统，系统若需放在光学舱内，则两个系统还需要放在配装不同材料光窗的两个独立舱体内。目前虽然有可见光－红外共口径复合技术，但多见于可见光－短波红外复合及可见光－中波红外复合；且共口径部分不能被设计波段以外的其它红外波段所利用。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明提出了一种基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统，解决传统光电成像系统大视场与高分辨率不可兼得的矛盾，以大视场高分辨率可见光成像系统为主，局部区域附加小视场高分辨率红外成像系统，增强目标识别能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统，包括球形主镜(1)、转像镜组(3)和光电传感器(4)；

所述球形主镜(1)能透射可见光至长波红外波段的光线；

所述转像镜组(3)由可见光转像镜组(31)和红外转像镜组(32)组成，所述可见光转像镜组(31)对可见光实像面(21)进行转像，所述红外转像镜组(32)对红外实像面(22)进行转像；

所述光电传感器(4)包括可见光传感器(41)和红外实像面传感器(42)，分别接收并输出可见光图像和红外图像；

沿光线入射方向，所述球形主镜(1)将入射的包括可见光和长波红外波段的光线进行透射成像，形成一个可见光实像面(21)和一个红外实像面(22)。

进一步地，所述球形主镜(1)由内层的实体球透镜(12)和外层的透镜(11)构成，所述透镜(11)由两片接近半球的弯月形等厚镜片拼接而成；

所述内层的实体球透镜(12)材料为氟化钙；外层的透镜(11)为硫化锌；所述内外层透镜分别进行安装固定，且二者间留有空气间隙。

进一步地，空气间隙为0.1～0.3mm。

进一步地，所述可见光转像镜组(31)由多个光转像镜分组组成，所述光转像镜分组以所述红外转像镜组(32)为中心，围绕其均匀排列；所述每一个光转像镜分组的视场对应所述可见光实像面(21)的一个区域，相邻两个所述区域有10％的重叠。

进一步地，所述光转像镜分组的转像比为0.3～0.5。

进一步地，所述可见光转像镜组(31)包含光转像镜分组1(311)和光转像镜分组2(312)，所述光转像镜分组1(311)、光转像镜分组2(312)与红外转像镜组(32)位于同一平面。

进一步地，所述红外转像镜组(32)的转像比为0.3～0.5。

进一步地，所述可见光传感器(41)为多个，数量与光转像镜分组的数量相同，且一一对应，分别接收光转像镜分组所成的像。

进一步地，所述多个可见光传感器(41)输出的多幅可见光图像(51)拼接处理后，形成一幅全景图像。

本发明有益效果如下：

1.本发明所提供的基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统具备可见光与红外(近/短波/中波/长波红外可选)复合的优势，可见光图像视场大、分辨率高，可满足对大范围区域的监控及侦察需求，红外模块可对可见光视场的局部进行辅助性红外成像，以增强目标的探测与识别；

2.由于采用了同心多尺度方案设计及购买成熟的货架产品，整个系统体积紧凑、成本较低。

3.本发明的球形主镜除了具有光学成像功能外，还作为整个系统的窗罩使用，省去了窗罩的考虑及成本；同时由于主镜的尺寸较小，整个系统前端口径小后端口径大的结构也有利于减小空气阻力。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为复合光学系统结构示意图；

图2为两个相邻的可见光转像镜组的可见光实像面重叠图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开一种基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统，如图1所示，包括球形主镜(1)、转像镜组(3)、光电传感器(4)。

球形主镜(1)是整个系统的重要部件，其主要起到一次成像的作用。为了减小像差及缩减体积，球形主镜由两层不同材料的球形镜片构成；且要求两种材料均能透过可见光至长波红外，能透过如此宽波段的光学材料十分有限，结合现有情况，采用硫化锌(ZnS)及氟化钙(CaF₂)；按照光学设计对材料相对位置的要求，内层采用氟化钙实体球(12)，外层由两片接近半球的弯月形等厚多光谱硫化锌镜片(11)拼接而成；考虑到实际应用时力学环境对系统及所属平台的要求，硫化锌镜片及氟化钙实体球分别进行安装固定，且二者间留有0.3mm的空气间隙。

转像镜组(3)的作用是将主镜所成的一次像面再次转像到光电传感器(4)感光面上，最终形成数字图像输出。本实施例的转像镜组(3)含有2个完全相同的可见光转像镜组(311)和(312)，两个转像镜组对应实像面区域(211)和(212)，两个实像面区域(211)和(212)有10％左右的重叠，如图2所示，如此，在成像高分辨率保持不变的前提下，可见光成像视场可以扩大近2倍，从而达到大视场高分辨率的目的；为了对所形成的可见光大视场的某个局部视场(通常是中心区域)进行红外辅助成像，转像镜组(3)中又加入了1个红外转像镜组(32)，红外转像镜组对整个系统的视场中心区域(其它区域亦可)进行红外成像，这样，整个系统视场的某个区域既有可见光成像，又有红外成像，增加了目标的探测识别概率。

红外转像镜组(32)安装在两个可见光转像镜组(311)和(312)中间，三个转像镜组沿着一个平面依次固定安装，在设计过程中，既要保证三者间的视场相对位置关系，又要保证三者在空间结构上互不干涉。转像镜组的设计是整个系统设计的主要部分，设计所依据的一个主要参数是转像镜组的转像比，即转像镜组的像面与物面的尺寸比值，该值的选取决定了系统初始模型及尺寸、视场重叠面积、转像镜组间干涉与否等重要参数，根据设计经验，转像比设置在0.3～0.5。

为了节约系统成本，光电传感器(4)选用了成熟的商用货架产品。可见光传感器(411)和(412)采用了商用手机上的CMOS光电传感器模块，成本低廉且易于购买；红外传感器(42)选用当前安防监控市场领域的成熟红外探测器模块。采用小尺寸光电传感器，如选用1.4μm像元尺寸的CMOS可见光传感器，17μm像元尺寸的红外传感器，从而进一步有利于减小系统尺寸与体积。

本实施例的具体结构形式为：可见光转像镜组(311)与可见光传感器(411)通过接口螺纹相连接，并与球形主镜(1)一同形成一个独立的可见光子系统；可见光转像镜组(312)与可见光传感器(412)通过接口螺纹相连接，并与球形主镜(1)一同形成一个独立的可见光子系统；红外转像镜组(32)与红外传感器(42)通过接口螺纹相连接，并与球形主镜(1)一同形成一个独立的红外子系统。

本实施例的具体成像过程为：可见光与红外光线同时透过球形主镜(1)，形成可见光实像面，红外实像面(22)；可见光转像镜组(311)或(312)将可见光实像面上与像镜组视场所对应的实像面区域(211)或(212)转像到可见光传感器感光面上进行可见光图像输出，形成2幅可见光图像(511)和(512)；所述实像面区域(211)或(212)有10％的重叠；红外转像镜组(32)将红外实像面(22)转像到红外传感器感光面上进行红外图像输出；2幅可见光图像(511)和(512)可拼接成一幅大视场广域可见光图像，红外转像镜组及红外传感器对中心视场区域(其它区域亦可)再次进行红外成像，从而大视场可见光图像的某个局部区域还有红外图像与其可见光图像进行匹配。

本实施例的基础设计参数为：单个可见光传感器对应的视场角月为20°×15°，两个可见光传感器对应的视场拼接后可达到40°×15°，商用COMS传感器的像元尺寸为1.4μm×1.4μm，整个可见光传感器(含结构外壳)的尺寸为30mm×30mm×20mm；红外传感器(本实施例选取的是长波非制冷红外探测器)对应的视场角约为4°×3°，长波红外传感器像元尺寸为17μm×17μm，整个红外传感器(含结构外壳)的尺寸为20mm×20mm×20mm。

可见光系统的焦距为16mm，F数为3.5(为了减小设计难度可进一步放大)；由于球形主镜在长波红外波段形成了很大的像差，红外系统设计具有较大难度，经过权衡，长波红外系统的焦距为35mm，F数放大到2。球形主镜的口径为40mm，内层氟化钙球体的直径为30mm。

为了进一步改善图像质量，光学设计过程中图像允许有15％以内的畸变及50％的边缘相对照度，后期可通过图像处理进行校正。根据焦距、F数、相邻视场重叠比例、结构件(转像镜组及传感器外壳)互不干涉要求，可确定转像镜组的转像比为0.4，可见光转像镜组(含结构件)的最大口径为10mm，红外转像镜组(含结构件)的最大口径为15mm。

整个系统的长度为210mm，系统前端口径(含安装结构件)约为60mm，系统后端口径约为110mm。可见光子系统的空间角分辨率为90μrad，空间视场角为40°×15°，红外子系统的空间角分辨率为0.5mrad，空间视场角为4°×3°，通过调节红外转像镜组(红外子系统)的对准角度，红外子系统的4°×3°视场可以在可见光子系统的40°×15°视场范围内进行任意移动，以满足系统对不同局部区域重点探测识别的需求。

综上所述，本实施例所提供的基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统，具备可见光与长波红外复合的优势，可见光图像视场大、分辨率高，可满足对大范围区域的监控及侦察需求，红外模块可对可见光视场的局部进行辅助性红外成像，以增强目标的探测与识别。由于采用了同心多尺度方案设计及购买成熟的货架产品，整个系统体积紧凑、成本较低。本发明的球形主镜除了具有光学成像功能外，还作为整个系统的窗罩使用，省去了窗罩的考虑及成本，同时由于主镜的尺寸较小，整个系统前端口径小后端口径大的结构也有利于减小空气阻力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于球形同心主镜的可见光与红外复合系统，其特征在于，包括球形主镜(1)、转像镜组(3)和光电传感器(4)；

所述球形主镜(1)用于透射可见光至长波红外波段的光线；

所述转像镜组(3)包括可见光转像镜组(31)和红外转像镜组(32)，所述可见光转像镜组(31)对可见光实像面(21)进行转像，所述红外转像镜组(32)对红外实像面(22)进行转像；

所述光电传感器(4)包括可见光传感器(41)和红外实像面传感器(42)，分别接收并输出可见光图像和红外图像；

沿光线入射方向，所述球形主镜(1)将入射的包括可见光和长波红外波段的光线进行透射成像，形成一个可见光实像面(21)和一个红外实像面(22)。

2.根据权利要求1所述的可见光与红外复合系统，其特征在于，所述球形主镜(1)包括内层的实体球透镜(12)和外层的透镜(11)，所述外层的透镜(11)由两片接近半球的弯月形等厚镜片拼接而成；

所述内层的实体球透镜(12)材料为氟化钙；外层的透镜(11)为硫化锌；所述内外层透镜分别进行安装固定，且二者间留有空气间隙。

3.根据权利要求2所述的可见光与红外复合系统，其特征在于，所述空气间隙为0.1～0.3mm。

4.根据权利要求1或2所述的可见光与红外复合系统，其特征在于，所述可见光转像镜组(31)包括多个光转像镜分组，所述光转像镜分组以所述红外转像镜组(32)为中心，围绕其均匀排列；所述每一个光转像镜分组的视场对应所述可见光实像面(21)的一个区域。

5.根据权利要求3所述的可见光与红外复合系统，其特征在于，相邻两个所述区域有10％的重叠。

6.根据权利要求3所述的可见光与红外复合系统，其特征在于，所述光转像镜分组的转像比为0.3～0.5。

7.根据权利要求4所述的可见光与红外复合系统，其特征在于，所述可见光转像镜组(31)包含光转像镜分组1(311)和光转像镜分组2(312)，所述光转像镜分组1(311)、光转像镜分组2(312)与红外转像镜组(32)位于同一平面。

8.根据权利要求3所述的可见光与红外复合系统，其特征在于，所述红外转像镜组(32)的转像比为0.3～0.5。

9.根据权利要求4所述的可见光与红外复合系统，其特征在于，所述可见光传感器(41)为多个，数量与光转像镜分组的数量相同，且一一对应，分别接收光转像镜分组所成的像。

10.根据权利要求7任一所述的可见光与红外复合系统，其特征在于，所述多个可见光传感器(41)输出的多幅可见光图像(51)拼接处理后，形成一幅全景图像。