共窗口微光与红外光学融合系统研究.pdf

2023年 云光技术 第55卷 第1期 19 共窗口微光与红外光学融合系统研究 安长亮，贾星蕊，李训牛，单思鸿，杨 雁，李发利，覃金生，刘春梅（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）摘要：现代新型微光与红外图像融合光电侦查系统，集多个光电传感器于一体，提供多光谱、大信息量的融合图像，已经成为一种未来军用光电仪器的发展趋势。而传统的双通道微光与红外光学融合系统，由于两路独立物镜布局结构会导致调校工艺复杂、图像配准困难等问题。为此，本文研究了一种共窗口微光与红外光学融合系统，选用微光像增强器和非制冷红外探测器作为核心光电成像器件；在光学设计中，应用卡塞格伦式光学系统来构建基础光学结构，在系统内部利用分光镜和分光膜来实现不同光谱的独立成像，并选用了宽光谱的光学材料来合并光学通道，最后在目镜前端利用合像棱镜将红外视频图像与微光增强图像进行光学融合。关键词：光学融合；微光夜视；红外热成像 Design of a Low Light and Infrared Optically Fused System with Shared Objective Lens AN Changliang，JIA Xingrui，LI Xunniu，SHAN Sihong，YANG Yan，LI Fali，QIN Jinshen，LI Chunmei(Kunming Institute of Physics,Kunming 650223,China)Abstract:Modern new pattern optically fused thermal and image intensified night vision surveillance system which congregate several photoelectrical sensor together,supplies multi-spectral fused image with large content of information,has became a developing tend in the future.The traditional double channel low light and infrared optically fused system has difficulties in assemble craftwork and boresight alignment because of its double independent objective layout.Therefore,the paper designed a low light and infrared optically fused system with shared objective lens which use the image intensifier and un-cooled IR FPA as the key photoelectric image device.The paper adopt Cassegrain form to construct the system and use the spectroscope and splitting film to achieve the independent image of the different spectral,simultaneously,use broad spectral material to combine the optical channel.The infrared video image and the intensified image were optically fused by the fusion prism in front-end of the eyepiece.Key words:optically fused，low light night vision，thermal infrared imaging 0 引言 在军事上，微光夜视技术利用目标反射的夜天光，进行光电倍增，使人眼视觉在时域，空域和频域得到有效扩展；主要应用于夜间隐蔽性作战、侦察巡逻、抢险救援、部队辅助驾驶及空军夜间辅助导航等。而红外热成像技术以接收目标自身向外发射的红外线来进行热成像，具有穿透烟尘能力强、可识别伪目标、可昼夜工作等特点。目前微光成像技术和红外热成像技术已经成为现代夜视技术的两大研究方向。在实际情况中，微光与红外技术都各有不足：微光图像的对比度低，灰度级受限，瞬间动态范围差，高增益时有闪烁，只敏感于目标场景反射微弱的夜天光。而红外图像的对比度强，动态范围大，但其仅 对目标与场景的红外辐射敏感，而对场景的亮度变化不敏感，所成景物图像较为抽象。因此，二者的图2023年 云光技术 第55卷 第1期 20 像信息存在片面性，导致对目标特征反映的信息不足，难以满足部队新时代信息化夜战的使用要求。而利用现代光学技术，可以将微光图像与红外图像进行光学融合，使其能够优势互补，同时发掘微光与红外图像的综合信息特征，以获取更好的感官效果以及更全面的目标实时场景信息，并能增强场景理解、突出目标；更有利于识别伪装，并迅速精确地探测目标。此外将融合图像显示成适合人眼观察的自然彩色光，可明显提高人眼的识别能力，并有效地减轻疲劳感1-4。1 系统结构及设计要求 卡塞格林光学系统（如图1）：由两块反射镜组成的一种发射式望远镜，反射镜中大的称为主镜，小的称为次镜。通常在主镜中央开孔，成像于主镜后面。它的焦点称为卡塞格林焦点。折叠光学的设计使镜筒的长度缩短。经典的卡塞格林系统主镜为抛物面，次镜为双曲面，对有限距离物体成像时满足系统消球差应具有的面形。共窗口微光与红外光学融合系统由卡塞格林微光与红外共窗口物镜系统和光学融合目镜系统组成。卡塞格林微光与红外共窗口物镜系统结构：在传统卡塞格林系统的基础上，通过添加分光膜和分光镜进行微光和红外的光学分光成像，并合理的布置双波段的成像系统的位置，不仅实现了双光谱共窗口的输入，而且提高了融合系统配准精度，系统如图2所示，主要设计指标见表1。主要原理：首先由宽光谱的保护窗口和反射镜以共窗口形式来接收来自目标的微光和红外光线；然后利用分光镜将微光反射至微光物镜，并同时将红外透射至红外物镜；最后在目镜前端将 OLED 红外图像和微光管倍增后的微光图像进行光学融合，再通过目镜的放大显示以供人眼直接观察。2 设计结果 本设计采用光学融合模式，具有重量轻、功率小和成本低等特点。微光模块采用技术成熟的18 mm像增强管，红外模块采用非制冷红外探测器。目标的红外辐射经红外物镜聚焦于非制冷焦平面，通过OLED显示红外图像数据。经中继目镜组件，再通过合像棱镜，由共用目镜组件直接进行观察；微光管荧光屏发出的绿色光谱信息通过另一组中继目镜经合像棱镜，和红外图像信息进行叠加，经目镜组后，操作者可同时观察到目标的微光、红外图像信息。根据光学系统的相关理论和技术指标要求，首先选取物镜光学系统的原始结构，并选取所有透镜的可变参数后，再通过Codev光学设计软件的系统性的优化后，最终就可以获取需要的设计结果，其光学结构形式如图3。物镜的焦距为22 mm，像方截距为4.82 mm，物镜总长度为35.5 mm，这对减小整个系 图1 卡塞格林光学系统原理 Fig.1 Schematic drawing of Cassegrain form of optical system 表1 设计指标 技术指标 指标要求 放大倍率 6 视场 7.5 像增强器 18/18超二代像增强器 探测器 多晶硅384288 像元 25 m 图2 共窗口光学融合原理 共窗口微光与红外光学融合系统研究 安长亮，贾星蕊，李训牛，等 21 统的长度和减轻重量，并使重心向后移都是十分有利的。在评价成像质量时必须考虑中心遮挡物的影响。由于遮挡，衍射增大了图像外部区的能量，牺牲了中心亮斑的能量，从而降低了低空间频率的MTF响应，提高了高空间频率的响应。图 4 和图 5 为物镜的场曲和畸变，其场曲和畸变都控制在合理的范围之内。图6和图7为物镜系统的点列图，其最大均方根弥散斑为37.8 m，表明该设计满足要求。图8和图9所示为物镜的所有视场子午、弧矢光学的调制传递函数图，该物镜在空间频率为40 lp/mm时，轴上达到0.6以上。各种像差得到较好的校正，具有很好的光学性能。图4 微光物镜光学场曲和畸变 图5 红外物镜光学场曲和畸变 Fig.4 Curves of the low light objective Fig.5 Curves of the infrared objective 图6 微光物镜点列图 图7 红外物镜点列图 LONGITUDINALSPHERICAL ABER.FOCUS(MILLIMETERS)1.000.750.500.25-0.08-0.040.00.040.08ASTIGMATICFIELD CURVES IMG HT ST9.006.754.502.25-0.08-0.040.00.040.08FOCUS(MILLIMETERS)DISTORTION IMG HT 9.006.754.502.25-1.0-0.50.00.51.0%DISTORTIONNew lens from CVMACRO:cvnewlens.seq 10-Jul-13 852.1100 NM 706.5188 NM 656.2725 NM 589.2938 NM 546.0740 NMLONGITUDINALSPHERICAL ABER.FOCUS(MILLIMETERS)1.000.750.500.25-0.010-0.0050.00.0050.010ASTIGMATICFIELD CURVES IMG HT ST6.004.503.001.50-0.02-0.010.00.010.02FOCUS(MILLIMETERS)DISTORTION IMG HT 6.004.503.001.50-1.0-0.50.00.51.0%DISTORTIONNew lens from CVMACRO:cvnewlens.seq 10-Jul-1312000.0000 NM10000.0000 NM 8000.0000 NM0.000,0.000 DG 0.00,0.000.000,1.874 DG 0.00,0.500.000,2.618 DG 0.00,0.700.000,3.173 DG 0.00,0.850.000,3.724 DG 0.00,1.00FIELDPOSITIONDEFOCUSING0.00000New lens from CVMACRO:cvnewlens.seq .305E-01 MM0.000,0.000 DG 0.00,0.000.000,1.875 DG 0.00,0.500.000,2.621 DG 0.00,0.700.000,3.177 DG 0.00,0.850.000,3.731 DG 0.00,1.00FIELDPOSITIONDEFOCUSING0.00000New lens from CVMACRO:cvnewlens.seq .254E-01 MM 图3 物镜光学系统 2023年 云光技术 第55卷 第1期 22 图8 微光物镜光学调制传递函数图 图9 红外物镜光学调制传递函数图 目镜系统主要将把物镜和微光像增强器已经分辨的微光像再次放大，以满足目标对人眼视角识别的需要。焦距和光学系统视放大率有关，由于微光系统的视放大率为6倍，则：6ff1（）(5)式中：为系统放大率，取6；为微光管的放大率，取1；f为微光物镜的焦距；f1为微光目镜的焦距计算得，f122.9 mm。所以，微光目镜焦距取22.92 mm。由于红外系统的视放大率也为6倍，则：OLED6lffl2探测器 (6)式中：为系统放大率，取6；lOLED为OLED对角线尺寸，取14.4 mm；l探测器为探测器靶面对角线尺寸，取12 mm；f为红外物镜的焦距；f2为OLED目镜的焦距计算得，f218.31 mm。所以，红外目镜焦距取18.31 mm。融合系统的目镜系统相对于普通夜视系统的目镜有较大不同：首先是要保证红外和微光系统不会互相干涉；其次是，为了减轻整机重量，该目镜系统的设计，应尽量选用较简单的光学系统。OLED 显示红外伪彩图像数据，可以令其为红和蓝色，微光管发出绿色光，因此希望上述融合光学元件，能够对绿光有高通过率，对红光和蓝光具有高反射率。目镜方案示意图如图10所示。合像棱镜的调校，关系到整个产品的精度和使用效果，保证目标的图像信息经微光模块、红外模块后，在合像棱镜处能进行精致的校准，使两个光路能精准地配合，有效地叠加在一起，不至于使用者对同一目标产生错位感。为此，要求结构设计合理、紧凑，有调校环节，并设计合理、有效的调校方案，改造现有仪器或制作专用的调校仪器来满足装配要求。合像棱镜由两个直角棱镜组成，为更好地保证棱镜的加工工艺，减轻目镜的重量，选用轻型的H-K9L材料。胶合处镀有分光膜，与水平成45角。为了更好融合，要求膜层牢固、稳定，能够对微光管荧光屏发出的绿光有高的透过率，对OLED发出的红和蓝光具有高反射率。在目镜设计方面，大胆选用了高折射率、低色散的新型光学材料，采用了一个非球面来进行像差校正。1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION6.012.018.024.030.036.042.0SPATIAL FREQUENCY(CYCLES/MM)New lens from CVMACRO:cvnewlens.seq DIFFRACTION MTF 10-Jul-13 DIFFRACTION LIMIT AXIS T R0.5 FIELD()1.87O T R0.7 FIELD()2.62O T R0.9 FIELD()3.17O T R1.0 FIELD()3.72OWAVELENGTH WEIGHT 852.1 NM 1 706.5 NM 1 656.3 NM 1 589.3 NM 1 546.1 NM 1DEFOCUSING 0.000001.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION5.00010.00015.00020.000SPATIAL FREQUENCY(CYCLES/MM)New lens from CVMACRO:cvnewlens.seq DIFFRACTION MTF 10-Jul-13 DIFFRACTION LIMIT AXIS T R0.5 FIELD()1.88O T R0.7 FIELD()2.63O T R0.8 FIELD()3.19O T R1.0 FIELD()3.75OWAVELENGTH WEIGHT12000.0 NM 110000.0 NM 18000.0 NM 1DEFOCUSING 0.00000 图10 目镜方案示意图 共窗口微光与红外光学融合系统研究 安长亮，贾星蕊，李训牛，等 23 3 结论 本文选用目前比较成熟的18 mm微光像增强器和非制冷探测器作为成像核心器件，运用现代光学分光与融合技术，并在卡塞格林系统基本光学模型的基础上，设计了一种共窗口微光与红外融合的光学系统。设计结果表明，系统成像质量良好，结构紧凑。该系统能够大大提高操作者获取和追踪烟雾、火焰、反光及完全黑暗的目标物的能力，系统可用于长距离观察瞄具、手持观察装置或其他需具备夜视功能的观察装置。参考文献：1 李师亿.微光与红外图像融合算法研究与系统设计D.南京:南京理工大学,2008.2 倪平平.红外与微光图像融合夜视系统设计D.南京:南京理工大学,2006.3 王停.红外与微光图像融合技术研究D.南京:南京理工大学,2007.4 谭显裕.微光夜视和红外成像技术的发展及军用前景J.航空兵器,2001,3(6):29-34.5 刘德坤,龚俊斌,马佳义,等.一种车载的红外与微光图像融合系统设计J.红外与激光工程,2010,39:303-307.6 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