可見光/微光與紅外平行光路融合物鏡設(shè)計

孫愛平，楊紹明，郭 亮，龔楊云，余海紅，曾邦澤，趙德利，王京云，李澤民

可見光/微光與紅外平行光路融合物鏡設(shè)計

孫愛平，楊紹明，郭 亮，龔楊云，余海紅，曾邦澤，趙德利，王京云，李澤民

（北方夜視科技集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650223）

現(xiàn)有所發(fā)布的大多數(shù)文獻(xiàn)著重于圖像融合算法的分析研究，很少有文獻(xiàn)對采集融合圖像的光學(xué)系統(tǒng)做出相應(yīng)論述。本文根據(jù)手持融合觀察鏡的特點(diǎn)，對可見光/微光與長波紅外圖像融合、平行光路布局型式的融合物鏡光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及分析。首先介紹了共光路光學(xué)布局型式與平行光路光學(xué)布局型式的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)手持融合觀察鏡的特點(diǎn)選擇了平行光路的光學(xué)布局型式；其次根據(jù)手持融合觀察鏡指標(biāo)的要求對可見光/微光物鏡進(jìn)行“消熱差”、定焦光學(xué)設(shè)計，針對長波紅外物鏡開展內(nèi)調(diào)焦式光學(xué)設(shè)計；第三根據(jù)所設(shè)計的融合物鏡光學(xué)系統(tǒng)，從平行光路光學(xué)布局型式、放大率及畸變變化3個方面對圖像配準(zhǔn)精度進(jìn)行分析；最后對手持融合觀察鏡實(shí)際場景的融合圖像進(jìn)行分析判斷，得出融合圖像質(zhì)量好，能滿足手持融合觀察鏡融合性能的要求。

圖像融合；光學(xué)布局型式；平行光路；融合物鏡；可見光/微光；紅外；圖像配準(zhǔn)

0 引言

多源圖像融合是機(jī)器視覺領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，通過對多源圖像的特征分析，按照不同融合規(guī)則進(jìn)行融合，可以得到1幅包含更全面信息的融合圖像[1-2]?？梢姽?微光與紅外圖像融合是當(dāng)前圖像融合研究的熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、航空、安防監(jiān)控等領(lǐng)域[3]?？梢姽?微光系統(tǒng)波段較短，同等條件下相應(yīng)的分辨能力高，可提供豐富的背景、紋理細(xì)節(jié)等信息，但是容易受環(huán)境照度的影響，當(dāng)環(huán)境照度不足時會降低圖像對比度進(jìn)而影響分辨力；紅外系統(tǒng)波段較長，同等條件下相應(yīng)的分辨能力較低，但是成像對比度大小由目標(biāo)與背景的溫差所確定，不受外界光照度影響，對目標(biāo)的指示性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)全天候工作[3-4]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)多著重于圖像融合算法的研究，并提出不同的圖像融合算法模型，沒有對采集融合圖像的光學(xué)系統(tǒng)做出相關(guān)敘述[5-7]。孫愛平[8]對共光路與平行光路兩種圖像融合光學(xué)布局型式做出了相關(guān)論述，并采取共光路、折返式的光學(xué)布局型式設(shè)計了一款手持融合觀察鏡。本文根據(jù)手持融合觀察鏡的特點(diǎn)，使用長波非制冷型器件和低照度CMOS器件，采取平行光路光學(xué)布局型式設(shè)計了一款手持觀察鏡融合物鏡光學(xué)系統(tǒng)，并對圖像配準(zhǔn)精度展開相應(yīng)分析。

1 融合光路布局的選擇

共光路光學(xué)布局融合系統(tǒng)由于使用同一個窗口接收場景信息，因此可見光/微光與紅外物鏡能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格的空域配準(zhǔn)。由于加入了共用窗口和分光板，使融合系統(tǒng)的體積增大、重量增加。共用窗口和分光板材料需要選用透可見光/微光和長波紅外的材料，此種材料種類有限、價格偏高、密度較大，常用如ZnSe和寬光譜ZnS。共用窗口需要鍍制透可見光/微光和長波紅外波段的寬光譜透射膜系；分光板需要鍍制反射可見光/微光波段、透射紅外波段（或者透可見光/微光波段、反射紅外波段）的分光膜系。由于可見光/微光波段與紅外波段跨度比較大，相應(yīng)的寬光譜透射膜系透射率低，分光膜系透射率低、反射率不高，并且兩種膜系的鍍制工藝不成熟，性能不佳。共光路光學(xué)布局融合系統(tǒng)主要用于對體積、重量和價格沒有嚴(yán)格要求，對融合性能具有嚴(yán)格要求的產(chǎn)品，如遠(yuǎn)距離監(jiān)控等。

平行光路光學(xué)布局融合系統(tǒng)去除了共用的窗口和分光板，相較融合系統(tǒng)而言可減小體積、減輕重量和降低價格。平行光路光學(xué)布局融合系統(tǒng)不需要透可見光/微光波段、長波紅外波段的寬光譜透射膜系及反射可見光/微光波段、透射長波紅外波段（或者透可見光/微光波段、反射長波紅外波段）的分光膜系，可提高融合系統(tǒng)的透過率及光學(xué)性能。由于使用各自的窗口接收場景信息，會造成同一個目標(biāo)在進(jìn)行圖像配準(zhǔn)時的錯位，即不能夠?qū)崿F(xiàn)融合圖像的完全配準(zhǔn)。此種光學(xué)布局型式隨著目標(biāo)的遠(yuǎn)離，配準(zhǔn)精度越高；隨著目標(biāo)距離的接近，配準(zhǔn)精度越差。平行光路光學(xué)布局融合系統(tǒng)主要使用于對體積、重量要求比較嚴(yán)格，對配準(zhǔn)精度要求不高的產(chǎn)品，如手持觀察類產(chǎn)品。

兩種圖像融合光學(xué)布局型式如圖1所示。

對于手持類觀察鏡要求產(chǎn)品體積小、重量輕及使用舒適。采用平行光路光學(xué)布局型式的手持融合觀察鏡可實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕的使用要求，但是圖像配準(zhǔn)精度較差，降低觀察者的使用舒適性。手持融合觀察鏡在使用過程中觀察遠(yuǎn)距離場景時配準(zhǔn)精度較高，可選擇可見光/微光、紅外或者融合通道進(jìn)行觀察；觀察近距離場景時配準(zhǔn)精度較低，可選擇可見光/微光和紅外通道進(jìn)行觀察，摒棄融合通道來達(dá)到提高觀察者舒適性的要求?；谑殖秩诤嫌^察鏡使用模式，本文選用平行光路光學(xué)布局型式進(jìn)行手持融合物鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。

2 融合物鏡光學(xué)設(shè)計

2.1 設(shè)計指標(biāo)

可見光/微光物鏡系統(tǒng)選用光譜響應(yīng)延伸到近紅外波段的1英寸800×600、18mm的低照度CMOS器件，紅外系統(tǒng)選用非制冷型長波640×512、17mm器件，在進(jìn)行圖像配準(zhǔn)前對紅外圖像進(jìn)行裁剪，形成640×480分辨率的原始圖像。手持融合物鏡光學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

2.2 紅外物鏡設(shè)計分析

紅外物鏡采用三片式的光學(xué)布局型式，其中光焦度分配為正-負(fù)-正。在保證光學(xué)系統(tǒng)總長不變的條件下，軸向移動第二透鏡實(shí)現(xiàn)溫度變化和觀察距離變化的像面補(bǔ)償，保證清晰像面位置不變，即內(nèi)調(diào)焦補(bǔ)償方式。紅外物鏡材料采用Ge和ZnSe，同時加入衍射面和非球面進(jìn)行不同溫度點(diǎn)和觀察距離的像質(zhì)校正。

表1 融合物鏡光學(xué)設(shè)計參數(shù)

紅外物鏡在常溫（20℃）、低溫（－40℃）和高溫（60℃）條件下的點(diǎn)列圖及傳遞函數(shù)MTF如圖2所示。所設(shè)計的紅外物鏡中心頻率為30lp/mm，在全溫度范圍內(nèi)、中心頻率處的傳遞函數(shù)MTF均在0.4以上；依據(jù)點(diǎn)列圖所示，約有80%的能量都集中在一個像素內(nèi)，像差校正較好，能夠保證在不同溫度點(diǎn)的條件下清晰成像。

2.3 可見光/微光物鏡設(shè)計分析

可見光/微光物鏡采用定焦、攝遠(yuǎn)型設(shè)計形式。在設(shè)計時不僅能夠保證在白天使用，也需要保證在低照度下使用，即工作波段向近紅外延伸，選取0.5mm～0.9mm進(jìn)行像差校正。選擇合適的F數(shù)即能保證景深范圍，也能保證在低照度下足夠的光通量。本文可見光/微光物鏡選擇F數(shù)為2.7。由于可見光/微光物鏡為定焦系統(tǒng)，不能通過后截距調(diào)節(jié)補(bǔ)償不同工作溫度下的像面位移，需要進(jìn)行與紅外系統(tǒng)相似的“消熱差設(shè)計”?？梢姽?微光物鏡選用合適的普通可見光透鏡材料與線膨脹系數(shù)為23.6×10－6/K的Al材料進(jìn)行“消熱差設(shè)計”，保證在不同工作溫度下都能夠成像清晰?？梢姽?微光物鏡的前組和后組均由一個單件和一個膠合件組成，面型為球面。此物鏡設(shè)計的難點(diǎn)為寬光譜的消色差設(shè)計及“消熱差設(shè)計”。

可見光/微光物鏡在常溫（20℃）、低溫（－40℃）和高溫（60℃）條件下的點(diǎn)列圖及傳遞函數(shù)MTF如圖3所示。所設(shè)計的紅外物鏡中心頻率為28lp/mm，在全溫度范圍內(nèi)、中心頻率處的傳遞函數(shù)大部分在0.4以上；依據(jù)點(diǎn)列圖所示，大部分視場約有80%的能量都集中在一個像素內(nèi)，像差校正較好，能夠在不同溫度點(diǎn)下清晰成像。

3 圖像配準(zhǔn)分析

3.1 平行光路光學(xué)布局型式圖像配準(zhǔn)失配性分析

融合系統(tǒng)物鏡組的平行光路光學(xué)布局型式由于光軸之間具有一定的間隔，故隨著觀察距離的不同圖像配準(zhǔn)精度也不同。目標(biāo)越遠(yuǎn)，配準(zhǔn)精度越高；目標(biāo)越近，配準(zhǔn)精度越差。假定目標(biāo)處在可見光/微光物鏡的光軸上，則目標(biāo)經(jīng)可見光/微光物鏡成像后位于圖像中心；目標(biāo)經(jīng)紅外物鏡成像后與圖像中心間距為D，其計算關(guān)系如下：

式中：為可見光/微光物鏡與紅外物鏡光軸間距，m；為目標(biāo)距離觀察鏡的距離，m；IR為紅外物鏡的焦距，mm。

所設(shè)計融合系統(tǒng)物鏡組光軸偏差為58mm，紅外物鏡焦距為70mm，則不同距離下圖像配準(zhǔn)誤差如表2所示。由表2可知當(dāng)觀察距離為239m時，圖像配準(zhǔn)精度為1個像素（0.017mm）；觀察距離越近，配準(zhǔn)精度越差；觀察距離越遠(yuǎn)，配準(zhǔn)精度小于1個像素，配準(zhǔn)效果越好。

表2 平行光路布局不同距離對應(yīng)的配準(zhǔn)精度

由以上分析此觀察鏡使用融合狀態(tài)觀察時，最佳觀察距離不小于239m，在239m的觀察距離內(nèi)，可以單獨(dú)采用可見光/微光或者紅外通道進(jìn)行觀察。

3.2 放大率變化引起圖像配準(zhǔn)失配性分析

可見光/微光物鏡和紅外物鏡焦距的變化、即放大率的變化會引起圖像配準(zhǔn)的失配?？梢姽?微光物鏡為定焦物鏡，其放大率只隨工作溫度變化。在工作溫度－40℃～＋60℃范圍內(nèi)，可見光/微光物鏡焦距變化范圍為92.74mm～92.65mm～92.7mm，焦距變化最大值為0.09mm，放大率變化量非常?。s在0.1%），即可見光/微光物鏡放大率的變化基本不會造成圖像配準(zhǔn)的失配。

紅外物鏡為內(nèi)調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)，調(diào)焦鏡的移動會引起放大率的變化，造成圖像配準(zhǔn)的失配。在光學(xué)設(shè)計過程中，充分考慮工作溫度變化和工作距離變化所引起的像面偏移，通過調(diào)節(jié)調(diào)焦鏡使紅外光學(xué)清晰成像在探測器焦面上。在進(jìn)行調(diào)焦時，紅外物鏡的焦距會發(fā)生小量變化，通過控制焦距值的變化使紅外圖像大小的誤差值在1像素內(nèi)（0.017mm），即滿足配準(zhǔn)精度的要求。

紅外物鏡設(shè)計工作溫度為－40℃～＋60℃、觀察最小距離為239m，通過調(diào)焦鏡進(jìn)行調(diào)焦，紅外系統(tǒng)焦距變化范圍為69.9136mm～70mm～70.0968mm。

假定在常溫條件下（焦距為70mm）微光圖像已經(jīng)與紅外圖像完成配準(zhǔn)，此時以常溫條件下紅外圖像的大小為基準(zhǔn)，分析經(jīng)受環(huán)境變化和觀察距離的調(diào)整，調(diào)焦后紅外圖像的變化。以水平向?yàn)槔M(jìn)行分析。

通過分析焦距變化值，焦距70.0968mm與70mm偏離最大，以焦距70.0968mm為例進(jìn)行分析論證。

1）無窮遠(yuǎn)目標(biāo)

假設(shè)目標(biāo)充滿器件水平向，則目標(biāo)在靶面上所成圖像大小計算如下：

式中：目標(biāo)尺寸為，m；目標(biāo)距離觀察鏡距離為，m；紅外物鏡焦距為IR，mm；目標(biāo)在靶面上所成圖像大小為，mm。

設(shè)定相同目標(biāo)經(jīng)過70mm、70.0968mm焦距的紅外物鏡所成圖像大小分別為1、2。則二者圖像差異計算如下：

當(dāng)目標(biāo)距離觀察鏡為無窮遠(yuǎn)時，即→∞，此時目標(biāo)也趨于無窮大，即→∞。此時產(chǎn)生兩個無窮大作比的情況，無解。在實(shí)際使用時觀察目標(biāo)尺寸是有限的，因此可把目標(biāo)尺寸按有限值進(jìn)行處理。此時目標(biāo)圖像差異D＝0mm，即觀察無窮遠(yuǎn)目標(biāo)時圖像配準(zhǔn)精度高，沒有配準(zhǔn)誤差。

2）239m目標(biāo)

當(dāng)目標(biāo)距離觀察鏡為239m、常溫20℃、充滿靶面水平向時目標(biāo)尺寸為37.15m。同樣的目標(biāo)經(jīng)過70mm和70.0968mm物鏡成像后，所成圖像大小差值計算如下：

即在充滿靶面水平向時，通過調(diào)焦所帶來的圖像最大差異為0.015mm。以圖像中心為基準(zhǔn)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，則圖像在探測器水平向兩端最大差異為0.0075mm，不到1個像素（0.017mm），因此紅外物鏡的調(diào)焦所帶來的圖像配準(zhǔn)差異在1個像素內(nèi)，配準(zhǔn)精度比較高。

同理分析高低向及對角向，由于放大率變化的影響，所成圖像大小差值分別為0.0056mm、0.0094mm，均不大于1個像素。

從以上分析可知，可見光/微光物鏡和紅外物鏡放大倍率變化引起圖像失配的最大誤差為0.0094mm，配準(zhǔn)誤差在1個像素內(nèi)，配準(zhǔn)精度高。

3.3 畸變變化引起圖像配準(zhǔn)失配性分析

同一個目標(biāo)在相同距離下通過可見光/微光物鏡和紅外物鏡所成像的大小，除了受放大倍率的影響外，兩個物鏡系統(tǒng)的畸變差異也能帶來圖像大小的差異，造成配準(zhǔn)精度的降低，因此要求可見光/微光物鏡與紅外物鏡在各個視場點(diǎn)的畸變值應(yīng)一一匹配?？梢姽?微光物鏡和紅外物鏡所成圖像靶面長、寬和對角線長度之比為4:3:5，以對角線為全視場1，分析畸變引起圖像失配性時，分析0.6（寬向）、0.8（長向）和1（對角向）即可。

在進(jìn)行可見光/微光物鏡與紅外物鏡像質(zhì)優(yōu)化時，二者的畸變值在各個溫度點(diǎn)、各個視場點(diǎn)需要加以控制?？梢姽?微光物鏡為定焦系統(tǒng)，畸變值隨工作溫度和觀察距離變化而變化；紅外物鏡為內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)，畸變值也隨工作溫度和觀察距離變化而變化。表3、表4分別為可見光/微光物鏡與紅外物鏡在常溫（20℃）、低溫（－40℃）和高溫（60℃）、相同視場點(diǎn)、主光線、無窮遠(yuǎn)目標(biāo)和239m目標(biāo)的畸變值。由表3可知可見光/微光物鏡隨工作溫度及觀察距離（最小值為239m）變化時對應(yīng)畸變值基本沒有變化；由表4可得紅外物鏡隨工作溫度及觀察距離（最小值為239m）變化時對應(yīng)畸變值變化比較大?？梢姽?微光物鏡的畸變值隨工作溫度及觀察距離基本沒有變化，因此在后續(xù)進(jìn)行畸變引起圖像配準(zhǔn)失配性分析時，可采用常溫、無窮遠(yuǎn)目標(biāo)的畸變數(shù)據(jù)替代其它條件下可見光/微光物鏡的畸變數(shù)據(jù)。

表3 可見光/微光物鏡畸變表

表4 紅外物鏡畸變表

以紅外圖像為基準(zhǔn)圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，則需要把可見光/微光圖像進(jìn)行均勻插值縮放，縮放因子為0.7555，縮放后可見光/微光物鏡畸變?nèi)绫?所示。

由表4、表5可得可見光/微光物鏡與紅外物鏡在0.6、0.8和1處隨工作溫度變化、觀察距離變化對應(yīng)絕對畸變的最大差值，如表6所示。由表6可知畸變引起配準(zhǔn)精度失配的最大情況為低溫工作、觀察239m目標(biāo)、配準(zhǔn)圖像4個角的位置處，圖像配準(zhǔn)誤差為35.5mm。以圖像中心為基準(zhǔn)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，則圖像配準(zhǔn)誤差最大值為17.75mm。觀察者觀察融合圖像時，4個角位置不是觀察者重點(diǎn)關(guān)注位置，則4個角處圖像配準(zhǔn)誤差為17.75mm為可接受的配準(zhǔn)精度。在4個角以內(nèi)的區(qū)域圖像配準(zhǔn)精度在1個像素內(nèi)，即配準(zhǔn)精度高。

4 融合效果

手持融合觀察鏡使用紅外通道觀察時，人員目標(biāo)與背景對比度比較高，背景比較單一；使用可見光/微光通道觀察時，人員目標(biāo)淹沒在背景中不易分辨，背景細(xì)節(jié)比較明顯；使用融合通道觀察時，不僅能夠提高目標(biāo)與背景的對比度及分辨能力，而且還能增加場景信息，形成一幅場景比較豐富、目標(biāo)比較突出的融合圖像。融合效果如圖4所示。

表5 縮放后可見光/微光物鏡畸變表

表6 縮放后可見光/微光物鏡畸變與紅外物鏡畸變對比表

圖4 圖像融合效果圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一款平行光路光學(xué)布局型式、內(nèi)調(diào)焦方式的手持觀察鏡的融合物鏡光學(xué)系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹了融合物鏡系統(tǒng)中內(nèi)調(diào)焦型式的紅外物鏡設(shè)計方法及可見光/微光物鏡的“無熱化”、寬光譜消熱差的設(shè)計理念，并詳細(xì)分析了平行光路光學(xué)布局型式、內(nèi)調(diào)焦方式融合物鏡系統(tǒng)圖像配準(zhǔn)精度的估算及控制依據(jù)。最后通過實(shí)物演示圖像，說明所設(shè)計融合系統(tǒng)的融合效果。通過手持觀察鏡融合物鏡系統(tǒng)的設(shè)計，為其他進(jìn)行圖像融合圖像采集系統(tǒng)研究的相關(guān)人員提供參考。

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Objective Design of Visible Light/Low-Light and Infrared Parallel Optical Path Fusion

SUN Aiping，YANG Shaoming，GUO Liang，GONG Yangyun，YU Haihong，ZENG Bangze，ZHAO Deli，WANG Jingyun，LI Zemin

(North Night Vision Science and Technology Group Co., Ltd.,Kunming 650223, China)

Most of the published literature relating to parallel optical path fusion focuses on analysis and research of image fusion algorithms; little literature discusses the optical system for image fusion. This paper designs and analyzes a fusion optical system of visible light /low-light and a long wave infrared image fusion and parallel light path layout according to the characteristics of a hand-held fusion observation lens. Firstly, the advantages and disadvantages of a shared optical path optical layout pattern and parallel optical path optical layout pattern were introduced. The optical layout pattern of the parallel optical path was selected according to the characteristics of the handheld fusion observation lens. Secondly, according to the requirements of the hand-held fused observation lens, the “heat dissipation difference” and fixed-focus optical design of the visible light /low-light optical objective lens were determined and the internal focusing optical design was performed for the long-wave infrared objective lens. Thirdly, the image registration accuracy was analyzed from the three aspects of the optical layout, magnification, and distortion of the parallel light path, according to the design of the fused optical system. Finally, the fusion image of the actual scene of the handheld fusion observation lens was analyzed and judged; it was found that the fusion image quality is suitable and the fusion performance of the handheld fusion observation lens can meet the requirements.

image fusion, optical path layout, parallel optical path, image fusion objective, visible light/ low-light, infrared, image registration

TN216, TN223

A

1001-8891(2020)01-0046-08

2018-08-01；

2019-11-20.

孫愛平（1980-），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計。E-mail：50973525@qq.com。