專利名稱：紅外與微光多光譜融合前端光機(jī)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電產(chǎn)品前端光機(jī)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別是一種具有光軸調(diào)整的平行光軸的 紅外與微光多光譜融合前端光機(jī)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
多光譜融合圖象探測裝置最終實(shí)現(xiàn)的圖象匹配融合，圖象融合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須在 圖像配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上。圖像配準(zhǔn)是要將各幅參與融合的圖像進(jìn)行空間配準(zhǔn)。圖像融合對配 準(zhǔn)精度有較高的要求，如果空間誤差超過一個像素，則融合結(jié)果會出現(xiàn)重影，嚴(yán)重影響融合 圖像的質(zhì)量。而圖象匹配的實(shí)現(xiàn)，一方面在于后期配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)，另一方面則取決于前端紅 外探測裝置和微光探測裝置的光學(xué)設(shè)計制造。光學(xué)系統(tǒng)的作用是紅外視頻和微光視頻的光 學(xué)通路，為后面的圖像配準(zhǔn)、圖像融合提供高質(zhì)量的圖像。由于融合系統(tǒng)采用的是像素級融 合，對前端系統(tǒng)的視場、光軸都有嚴(yán)格的精度要求。所以前端系統(tǒng)的設(shè)計對整個融合系統(tǒng)的 研制有著至關(guān)重要的作用。雙傳感器的像素級配準(zhǔn)是設(shè)計中的一個難題，如果兩個傳感器所用的光學(xué)系統(tǒng)和 光路一樣，那么這個問題就迎刃而解了。現(xiàn)有的共光軸系統(tǒng)主要采用的是圖1設(shè)計，原理是 利用一片半反半透鏡將兩個波段的光分離。這里兩個傳感器共用同一個光學(xué)系統(tǒng)，光軸相 同、視場相同，那么它們獲得的兩幅圖像就是完全配準(zhǔn)的圖像。但是在實(shí)際應(yīng)用中，這種設(shè)計并不容易實(shí)現(xiàn)。首先，由于紅外與微光的成像波段不 同，兩塊半透半反鏡鍍膜的透射率必然不盡相同，這對于鍍膜工藝要求較高，透射率的選擇 也較困難；其次，從圖1可以看出，要達(dá)到配準(zhǔn)的要求，必須使得進(jìn)入兩個傳感器的光線平 行，所以，兩塊半透半反鏡必須平行，這使得該設(shè)計的平行精度要求很高，這在工藝上實(shí)現(xiàn) 也較為困難。并且，由于這種鏡片的特殊鍍膜方式，使得光通過半透半反鏡片后，光信號有 一定的衰減，特別是微光圖像不管是反射還是透射，在照度較低(小于10_41X)的條件下，光 能的損失使得本來就微弱的微光圖像變得幾乎看不見，這樣就限制了系統(tǒng)的性能，降低了 融合系統(tǒng)的增強(qiáng)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種設(shè)計簡單，加工方便，操作容易，具有較好配準(zhǔn)效果和 成像質(zhì)量的紅外與微光多光譜融合前端光機(jī)結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種紅外與微光多光譜融合前端光機(jī)結(jié)構(gòu)， 包括外殼、楔形底座、第一通光孔、第二通光孔；視頻線、微光像增強(qiáng)器電池、紅外探測裝置、 微光探測裝置、楔形底座固定在盒體內(nèi)部，紅外探測器與微光像增強(qiáng)器固定在楔形底座上， 紅外探測裝置由紅外物鏡與連結(jié)在紅外物鏡后的紅外探測器組成，微光探測裝置由微光物 鏡和連接在微光物鏡后的微光像增強(qiáng)器組成，所述的紅外探測裝置和微光探測裝置在豎直 方向上下放置，并且紅外探測裝置和微光探測裝置的光軸位于同一豎直平面內(nèi)平行，光軸 夾角< 0. ImRad ；紅外物鏡與微光物鏡具有相同的視場角度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)(1)該前端光機(jī)結(jié)構(gòu)基于平行光軸而非共 光軸設(shè)計，從而避免了復(fù)雜的半反半透鏡制作工藝，并且不存在現(xiàn)有共光軸設(shè)計中的光信 號衰減問題；(2)光軸平行度經(jīng)過光軸調(diào)校裝置嚴(yán)格校準(zhǔn)，光軸夾角< 0. lmRad，兩個探測 器對目標(biāo)90%以上的視場重合度；利用光楔對微光探測裝置進(jìn)行光路微調(diào)，進(jìn)一步提高兩 個探測系統(tǒng)對目標(biāo)的重合度，從光機(jī)結(jié)構(gòu)上為圖像配準(zhǔn)提供了保證，通過電路算法進(jìn)行精 確像素配準(zhǔn)，就能實(shí)現(xiàn)圖像的精確配準(zhǔn)；(3)該裝置體積適中，便于攜帶，操作和使用非常 方便。


圖1雙傳感器共光軸設(shè)計的光路圖。圖2雙傳感器平行光軸的成像圖。圖3雙傳感器光軸不平行的成像圖(傳感器夾角α >90° )。圖4光楔的光軸平移性原理圖。圖5光楔對微光成像光路的改變圖。圖6是本發(fā)明專利的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明專利的外觀圖。圖8本發(fā)明專利的帶有光楔的微光探測裝置圖。圖9是本發(fā)明專利的微光像增強(qiáng)器圖。圖10是本發(fā)明專利的紅外探測器圖。圖11是本發(fā)明專利的微光物鏡圖。圖12是本發(fā)明專利的紅外物鏡圖
具體實(shí)施例方式發(fā)明原理1.雙目成像系統(tǒng)理論紅外成像系統(tǒng)和微光成像系統(tǒng)可以看成一個雙目成像系統(tǒng)，雙目成像可獲得同一 場景的兩幅視點(diǎn)不同的圖像，雙目成像時的模型可看作是由兩個單目成像模型組合而成。 實(shí)際成像時，這兩個單目成像可用兩個單目系統(tǒng)同時采集來實(shí)現(xiàn)，也可用一個單目系統(tǒng)先 后在兩個位姿分別采集來實(shí)現(xiàn)(這時一般設(shè)被攝物和光源沒有移動變化)。根據(jù)現(xiàn)有的條件，在我們的最終前端光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用了如圖2所示的 平行光軸的設(shè)計，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，這種設(shè)計無論在工藝上、成像質(zhì)量上都有保證。兩 個傳感器的鏡頭視場相同，系統(tǒng)可以看成一個雙目成像系統(tǒng)，雙目成像時的模型可看作是 由兩個單目成像模型組合而成。視場θ (單位是mrad)可由式(1)求出，這里的f是光學(xué) 鏡頭的焦距，d是圖像傳感器的邊長，u目標(biāo)的距離，兩鏡頭中心距離b。鏡頭的視場θ (單位mrad)可以由下式求得tg{0/2) = ^- (1)
二 / 由圖2可以看出這兩個鏡頭的視場并沒有完全重合，上下分別有b的冗余，那么它 們的視場重合度可以表示為
4
如果令
，則式⑵就變成ε = 1-Δ (3)式中Δ足夠小，那么ε就接近于1.也就是說，如果兩個鏡頭的中心距離足夠小，觀察距離相對兩個鏡頭的中心距離 又比較大，那么兩個鏡頭的視場的重合度就無限接近于1，在這種條件下，可以把兩個視場 看作完全重合，在我們實(shí)際應(yīng)用中，u的值一般較大，一般是幾到幾十千米，而b —般是幾厘 米，基本上符合這個條件。在我們的實(shí)際測試中，只要視場重合度ε大于90%，通過系統(tǒng)的 二次配準(zhǔn)就能達(dá)到較好的融合效果。如果兩個光軸不平行，傳感器有一定的夾角α >90°如圖3，由圖中可以看出在 一定的距離上兩個視場完全重合，但是由于成像得角度發(fā)生了變化，兩個傳感器上得到的 圖像發(fā)生畸變，在后續(xù)的融合處理中會嚴(yán)重的影響融合質(zhì)量。由上面的討論可知，探測器光軸平行度也是影響前端性能的主要是指標(biāo)，即兩個 光學(xué)系統(tǒng)的光軸夾角。根據(jù)視場重合度計算公式(2)，我們得到以下的修正公式 式中β是兩個圖像傳感器光軸的夾角。從以上分析可以得到設(shè)計融合系統(tǒng)前端光機(jī)的幾個關(guān)鍵問題a)兩者必須具有 幾乎相同的視場；b)兩者的光軸平行度要高。系統(tǒng)的前端性能主要是探測器光軸平行度， 即兩個光學(xué)系統(tǒng)的光軸夾角。假設(shè)探測系統(tǒng)兩個探測器間距離b為0. lm，探測距離為100m， 這是只要保證光軸夾角< 0. 5mRad,即可達(dá)到90%以上的視場重合度。為了達(dá)到較高的視 場重合度，我們的系統(tǒng)的前端設(shè)計為(1)紅外與微光探測器光軸夾角彡0. ImRad ； (2)兩物 鏡視場角度大小一樣。2.光楔光軸平移原理折射角很小的棱鏡稱為光楔。由于折射角α很小，其偏向角公式可以大大簡化。 當(dāng)入射角很小時，偏轉(zhuǎn)角為δ = α (η-1) (5)若兩個光楔折射角均為α，相隔一微小間隙，當(dāng)兩光楔主截面平行放置，且光軸相 差180°時，如圖4所示，所產(chǎn)生的偏向角為零，從而達(dá)到光軸平移的目的。當(dāng)兩光楔沿軸向 相對距離為Δ ζ時，出射光線相對于入射光線在垂直方向產(chǎn)生的位移為Ay Ay= (η-1) α Δ ζ由于兩探測器之間肯定存在一定距離，所以成像在兩幅圖像上的同一目標(biāo)，肯定 不能完全重合，而是存在一定的偏差。而利用光楔的光軸平移性，可以改變微光探測裝置對 目標(biāo)成像時的光路，如圖5所示，使得微光圖像與紅外圖像中同一目標(biāo)的重合度增加，從而 達(dá)到配準(zhǔn)的目的。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本發(fā)明公開了一種紅外與微光多光譜融合前端光機(jī)結(jié)構(gòu)，包括外殼7、楔形底座 8、第一通光孔9、第二通光孔10、第一視頻線5、第二視頻線6.、微光像增強(qiáng)器電池12、紅外 物鏡3、紅外探測器4、微光物鏡1、微光像增強(qiáng)器2。在本實(shí)施例中，所述盒體為整體的方 形，盒體分為外殼7和楔形底座8，楔形底座8用螺絲固定在外殼7內(nèi)部，與外殼7呈90° 垂直，楔形底座8上開有兩個固定孔。紅外探測器4與微光像增強(qiáng)器2分別安裝嵌入底座 上下兩個固定孔內(nèi)，紅外探測裝置由紅外物鏡3與連結(jié)在紅外物鏡3后的紅外探測器4組 成，微光探測裝置由微光物鏡1和連接在微光物鏡1后的微光像增強(qiáng)器2組成，所述的紅 外探測裝置和微光探測裝置在豎直方向上下放置，并且紅外物鏡3和微光物鏡1的光軸位 于同一豎直平面內(nèi)平行，用精度為0. 05mRad的光軸調(diào)校系統(tǒng)對其進(jìn)行校正，使得光軸夾角 ^ 0. ImRad ；紅外物鏡3與微光物鏡1具有相同的視場角度。在微光物鏡1前端，還設(shè)置有 光楔11，光楔11固定在微光物鏡1鏡框內(nèi)，光楔11與鏡框內(nèi)徑大小一致。如圖8所示，光楔 11的折射角和折射率可以根據(jù)實(shí)際要求調(diào)整，如果配準(zhǔn)精度較高，則可以選擇折射角和折 射率較大的光楔，從而到達(dá)更大的光路調(diào)整效果。該前端光機(jī)結(jié)構(gòu)的外殼7為封閉的盒體 式結(jié)構(gòu)，在紅外物鏡3與微光物鏡1正前方的殼板上分別開有第一光孔9、第二通光孔10， 第一、第二通光孔9、10分別位于兩個物鏡的軸線上；第一視頻線5連接微光像增強(qiáng)器2，第 二視頻線6連接紅外探測器4，在盒體后方設(shè)有通孔開有第一、第二圓孔和一個橫槽口，兩 根視頻線的另一端分別穿過第一、第二圓孔后與處理電路板連接，紅外探測器4的電路控 制接口通過該橫槽口接出，微光像增強(qiáng)器電池12置于外殼后方與微光像增強(qiáng)器2連接，為 其提供電源。使用時，打開微光像增強(qiáng)器2與紅外探測器4的電源，選取目標(biāo)開始成像，光源分 別進(jìn)入紅外物鏡3與微光物鏡1。具體實(shí)施例參數(shù)如表1所示。從表中可以看出，兩個探測 裝置的光軸夾角越小，則兩者的視場重合度越高。另外，目標(biāo)距離探測器越遠(yuǎn)，則視場重合 度會越高。所以，當(dāng)目標(biāo)成像距離較大時，該融合前端已經(jīng)能達(dá)到較好的配準(zhǔn)效果。然后， 利用光楔的光軸平移性，可以改變微光探測裝置對目標(biāo)成像時的光路，使得微光圖像與紅 外圖像中同一目標(biāo)的重合度增加，從而達(dá)到配準(zhǔn)的目的。特別是，當(dāng)目標(biāo)成像距離很大時， 探測裝置間的距離相對于成像距離而言幾乎可以忽略不計，光楔的這種微調(diào)作用就非常明 顯，該前端光機(jī)結(jié)構(gòu)能夠有效配準(zhǔn)，之后再經(jīng)過電路中配準(zhǔn)算法處理，對圖像進(jìn)行幾個像素 的精確配準(zhǔn)，就能夠?qū)D像精確配準(zhǔn)。表1具體實(shí)施例
權(quán)利要求
一種紅外與微光多光譜融合前端光機(jī)結(jié)構(gòu)，包括外殼[7]、楔形底座[8]、第一通光孔[9]、第二通光孔[10]、第一視頻線[5]、第二視頻線[6]、微光像增強(qiáng)器電池[12]、微光物鏡[1]、微光像增強(qiáng)器[2]、紅外物鏡[3]、紅外探測器[4]，楔形底座固定在盒體內(nèi)部，紅外探測器[4]與微光像增強(qiáng)器[2]固定在楔形底座上，紅外物鏡[3]與連接在紅外物鏡[3]后的紅外探測器[4]組成紅外探測裝置，微光物鏡[1]和連接在微光物鏡[1]后的微光像增強(qiáng)器[2]組成微光探測裝置，其特征在于所述的紅外探測裝置和微光探測裝置在豎直方向上下放置，并且紅外物鏡[3]和微光物鏡[1]的光軸位于同一豎直平面內(nèi)平行，光軸夾角≤0.1mRad；紅外物鏡[3]與微光物鏡[1]具有相同的視場角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外與微光多光譜融合前端光機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于在微光 物鏡前端，設(shè)置有光楔[11]，光楔[11]固定在微光物鏡鏡框內(nèi)，光楔[11]與鏡框內(nèi)徑大小 一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的紅外與微光多光譜融合前端光機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于外 殼[7]為封閉的盒體式結(jié)構(gòu)，在紅外物鏡[3]與微光物鏡[1]正前方的盒體上分別開有第 一光孔[9]、第二通光孔[10]，第一、第二通光孔[9、10]分別位于兩個物鏡的軸線上；在盒 體后方開有第一、第二圓孔和一個橫槽口，兩根視頻線[5、6]的另一端分別穿過第一、第二 圓孔后與處理電路板連接，紅外探測器[4]的電路控制接口通過該橫槽口接出，微光像增 強(qiáng)器電池[12]置于外殼[7]后方與微光像增強(qiáng)器[2]連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅外與微光多光譜融合前端光機(jī)結(jié)構(gòu)，包括外殼、楔形底座、第一通光孔、第二通光孔、視頻線、微光像增強(qiáng)器電池、微光物鏡、微光像增強(qiáng)器、紅外物鏡、紅外探測器，在微光物鏡前端，設(shè)置有光楔，紅外物鏡與連結(jié)在紅外物鏡后的紅外探測器組成紅外探測裝置，微光物鏡和連接在微光物鏡后的微光像增強(qiáng)器組成微光探測裝置，楔形底座固定在盒體內(nèi)部，紅外探測器與微光像增強(qiáng)器固定在楔形底座上，紅外探測裝置和微光探測裝置在豎直方向上下放置，紅外物鏡和微光物鏡的光軸位于同一豎直平面內(nèi)平行，光軸夾角≤0.1mRad；紅外物鏡與微光物鏡具有相同的視場角度。該結(jié)構(gòu)加工簡單，配準(zhǔn)精度、成像效果良好，具有很好的市場前景。
文檔編號G02B27/00GK101907772SQ20101022356
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者劉磊, 富榮國, 常本康, 張俊舉, 張紹祿, 李力, 袁軼慧, 邱亞峰, 錢蕓生 申請人:南京理工大學(xué)