基于微光頭盔觀察、懸掛式紅外夜視儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫愛平，胡健釧，安長亮，李訓(xùn)牛，汪陳躍，龔楊云，宋宇宇

基于微光頭盔觀察、懸掛式紅外夜視儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫愛平，胡健釧，安長亮，李訓(xùn)牛，汪陳躍，龔楊云，宋宇宇

（北方夜視科技研究院集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650223）

頭盔夜視儀由單波段向多波段圖像融合的方向發(fā)展。本文對(duì)基于微光頭盔觀察、懸掛式紅外夜視儀的技術(shù)方案、圖像配準(zhǔn)精度進(jìn)行分析并進(jìn)行光學(xué)仿真。首先分析懸掛式紅外夜視儀與微光頭盔組合使用的工作模式以及圖像旋轉(zhuǎn)、圓形視場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案；其次根據(jù)懸掛式紅外夜視儀的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)其紅外物鏡及投影物鏡進(jìn)行光學(xué)仿真；第三從懸掛精度、光軸一致性及畸變等三方面分析圖像配準(zhǔn)精度；最后根據(jù)仿真結(jié)果及圖像配準(zhǔn)精度分析說明基于微光頭盔觀察、懸掛式紅外夜視儀的技術(shù)方案可行，能達(dá)到預(yù)期的效果。

投影物鏡；紅外物鏡；圖像融合；圖像配準(zhǔn)；懸掛式；紅外夜視儀

0 引言

夜視儀作為夜間行軍作戰(zhàn)的重要裝備，一直以來是各國研究的重點(diǎn)，圍繞著紅外、微光等技術(shù)研制出不同種類的夜視裝備，其中頭盔夜視儀是單兵裝備發(fā)展的要點(diǎn)[1]。微光頭盔利用目標(biāo)反射的低照度（10－1～10－3lx）月光、星光、大氣輝光等光線，通過微光物鏡匯聚到微光頭盔的核心器件微光像增強(qiáng)器上并轉(zhuǎn)換為電子，電子進(jìn)行倍增后轟擊熒光屏，形成人眼可視的圖像[2]。使用二代或二代半技術(shù)的微光頭盔為被動(dòng)工作方式，容易受外界光照度的影響，但價(jià)格相對(duì)便宜，是現(xiàn)役頭盔裝備中的主流產(chǎn)品[3]。與微光頭盔相比，紅外頭盔是一種利用目標(biāo)與背景輻射能量的差異而成像，是一種被動(dòng)工作方式，它工作時(shí)不受外界照度的影響，并具有一定的穿透煙、霧、塵等的能力和識(shí)別簡(jiǎn)單偽裝的能力。

為了實(shí)現(xiàn)微光與紅外各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，圖像融合技術(shù)逐漸成為主流發(fā)展方向。為了給士兵提供更多的圖像信息，美軍開發(fā)出一款微光與紅外光學(xué)式圖像融合的頭盔夜視儀（AN/PSQ-20），此夜視儀具有微光、紅外雙光通道，可將目標(biāo)的微光圖像和紅外圖像進(jìn)行光學(xué)疊加融合，實(shí)現(xiàn)微光與紅外各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)的互補(bǔ)[4]。AN/PSQ-20頭盔夜視儀采用微光與紅外獨(dú)立鏡頭的設(shè)計(jì)模式，造成夜視儀體積較大、重量較重，佩戴舒適性不好[1,5]。

為了減輕佩戴重量及在現(xiàn)役微光頭盔的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)微光與紅外的圖像融合，美軍后續(xù)開發(fā)出一款可拆卸、懸掛式的紅外熱像儀AN/PAS-29A，此熱像儀是一款倍率為1×的紅外望遠(yuǎn)鏡。在需要觀察微光與紅外融合圖像時(shí)，可把AN/PAS-29A懸掛在微光頭盔上，通過微光頭盔可觀察到微光與紅外的光學(xué)融合圖像。

國內(nèi)現(xiàn)役裝備的微光頭盔主要是使用二代或超二代像增強(qiáng)器的產(chǎn)品，沒有裝備微光與紅外融合的頭盔產(chǎn)品，也沒有見到相關(guān)產(chǎn)品信息的公開報(bào)道。

本文在AN/PAS-29A紅外熱像儀及國內(nèi)成熟器件的基礎(chǔ)上開展基于微光頭盔觀察、懸掛式紅外夜視儀光學(xué)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)方案分析

1.1 懸掛式紅外夜視儀與微光頭盔組合工作模式

微光頭盔與懸掛式紅外夜視儀組合使用型式如圖1所示。懸掛式紅外夜視儀主要由紅外組件和投影組件所組成，二者組成1×的紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。目標(biāo)與背景輻射的能量差異被懸掛式紅外熱像儀接收并轉(zhuǎn)換為人眼可視圖像，此可視圖像以平行光出射的方式投射到微光頭盔上，形成微光與紅外光學(xué)疊加式的融合圖像，如圖2所示。微光頭盔與懸掛式紅外夜視儀工作示意圖如圖3所示。

圖1 微光頭盔與懸掛式紅外夜視儀組合方式

圖2 微光頭盔與懸掛式紅外夜視儀融合圖像

對(duì)于頭戴輔助夜視系統(tǒng)，其視放大率要求為1×，則對(duì)應(yīng)的微光頭盔及懸掛式紅外夜視儀的視放大率需要設(shè)定為1×，此時(shí)可保證當(dāng)懸掛式紅外夜視儀懸掛在微光頭盔上組合使用時(shí)的視放大率達(dá)到1×的使用要求。

圖3 微光頭盔與懸掛式紅外夜視儀工作示意圖

1.2 圖像旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方案

由于懸掛式紅外夜視儀采用外掛使用方式，可懸掛在微光頭盔的下側(cè)，也可懸掛在微光頭盔的左右兩側(cè)。隨著懸掛方式的不同，以懸掛式紅外夜視儀內(nèi)置的電子羅盤判斷懸掛方位，以圖像中心為基準(zhǔn)進(jìn)行90°的4個(gè)相位旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)左側(cè)、左下、右側(cè)、右下，共4個(gè)不同掛裝位置。

通過分析標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，如果全畫幅使用，其圖像長寬的比例為4:3，只能進(jìn)行左右、上下鏡像處理，不能滿足使用要求。要實(shí)現(xiàn)90°的4個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，需要器件感光部分尺寸和顯示部分尺寸的長寬比例均為1:1?；诖嗽O(shè)計(jì)要求，懸掛式紅外夜視儀的紅外成像機(jī)芯感光面分辨率為288×288，OLED顯示面分辨率為576×576，其余像素做消隱處理，如圖4所示。

1.3 圓形視場(chǎng)設(shè)計(jì)方案

此懸掛式紅外夜視儀把OLED所成圖像投影到1×微光頭盔前端，經(jīng)1×微光頭盔后被人眼觀察。微光頭盔的成像器件是微光像增強(qiáng)器，其感光面和顯示面均為圓形，懸掛式紅外夜視儀所投影圖像為圓形可與微光頭盔實(shí)現(xiàn)更好的圖像融合效果。

基于此紅外物鏡設(shè)計(jì)視場(chǎng)為圓形，其線視場(chǎng)為288×288方形區(qū)域的內(nèi)接圓，方形區(qū)域與內(nèi)接圓區(qū)域之間的區(qū)域（夾層區(qū)域）也參與成像，其成像質(zhì)量不做控制。依據(jù)光學(xué)仿真分析，夾層區(qū)域的圖像質(zhì)量隨距離圓心間隔的增大，圖像質(zhì)量逐漸變壞，是一個(gè)漸變的過程。OLED所成圖像也為方形，此時(shí)在貼近OLED保護(hù)窗處放置一個(gè)圓形視場(chǎng)光闌，此時(shí)通過OLED所投射的圖像為圓形圖像，并通過微光頭盔被人眼觀察，如圖5所示。

2 懸掛式紅外夜視儀光學(xué)仿真分析

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

從夜視儀的重量、體積及成本綜合考慮，紅外物鏡選用384×288、17mm的非制冷型長波紅外機(jī)芯、投影物鏡選用800×600、12.6mm的微型OLED顯示器。所選器件是市面批量供應(yīng)的器件，性能穩(wěn)定、貨源充足。紅外物鏡焦距選擇13.88mm，F(xiàn)數(shù)選擇為1，圓形視場(chǎng)為20°；投影物鏡焦距選擇為20.58mm，F(xiàn)數(shù)選擇為4，圓形視場(chǎng)為20°。紅外物鏡和投影物鏡組成1×的紅外望遠(yuǎn)鏡，對(duì)應(yīng)圓形視場(chǎng)為20°。懸掛式紅外夜視儀光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.2 紅外物鏡光學(xué)仿真分析

為了盡可能地減小懸掛式紅外夜視儀的體積、重量并適應(yīng)不同的工作溫度，紅外物鏡采取定焦光學(xué)被動(dòng)消熱差設(shè)計(jì)方式，紅外物鏡的設(shè)計(jì)型式見圖6。紅外物鏡光學(xué)透鏡材料選擇Ge和IRG206，鏡筒材料選擇鋁合金，面型選擇常用的球面、非球面和二元衍射面，其中二元衍射面放置在第二透鏡的前表面上。通過以上組合型式進(jìn)行紅外物鏡的光學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，使像面在各個(gè)溫度點(diǎn)下都與紅外機(jī)芯的靶面相重合。

圖4 器件工作有效區(qū)域示意圖

圖5 設(shè)計(jì)的圓形視場(chǎng)示意圖

表1 懸掛式紅外夜視儀光學(xué)參數(shù)

圖6 紅外物鏡設(shè)計(jì)型式

紅外物鏡在常溫（20℃）、低溫（－40℃）和高溫（60℃）條件下的傳遞函數(shù)（MTF）曲線如圖7所示。紅外物鏡的MTF在奈奎斯特頻率（29.4 lp/mm）處除邊緣視場(chǎng)外對(duì)比度約在0.5以上，中心視場(chǎng)區(qū)域的對(duì)比度接近衍射極限，依此判斷紅外物鏡在工作溫度范圍內(nèi)像差校正效果較好。

2.3 投影物鏡光學(xué)仿真分析

投影物鏡由兩個(gè)雙膠合透鏡及一個(gè)直角棱鏡所組成，其設(shè)計(jì)型式見圖8。所選透鏡材料均為成都光明的環(huán)保型無色玻璃，鏡筒選用鋁合金材料。投影物鏡也采用光學(xué)被動(dòng)消熱差的設(shè)計(jì)型式，依此來減少溫度變化而帶來的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，進(jìn)而減輕體積和重量。

投影物鏡在常溫（20℃）、低溫（－40℃）和高溫（60℃）條件下的傳遞函數(shù)（MTF）曲線如圖9所示。投影物鏡的MTF在奈奎斯特頻率（39.7 lp/mm）處除邊緣視場(chǎng)外對(duì)比度約在0.7以上，中心視場(chǎng)區(qū)域的對(duì)比度接近衍射極限。根據(jù)1.2節(jié)所述，紅外機(jī)芯實(shí)際使用分辨率為288×288，OLED顯示所用的分辨率為576×576，則投影物鏡實(shí)際使用的MTF頻率為奈奎斯特頻率的一半。據(jù)此在常溫、低溫和高溫條件下投影物鏡的MTF在19.9 lp/mm處除邊緣視場(chǎng)外對(duì)比度約在0.9以上。依據(jù)以上分析，投影物鏡校正后成像質(zhì)量良好，能滿足使用要求。

3 光學(xué)融合配準(zhǔn)精度分析

3.1 懸掛式紅外夜視儀懸掛精度分析

由于懸掛式紅外夜視儀與1×微光頭盔之間采用外掛式工作模式，并使用平行光路進(jìn)行圖像傳輸，可避免出現(xiàn)模糊的融合圖像。

圖8 投影物鏡設(shè)計(jì)型式

圖9 投影物鏡傳遞函數(shù)曲線

懸掛式紅外夜視儀的視放大率為1×，則具有以下關(guān)系：

式中：紅外物鏡的焦距為w；投影物鏡的焦距為t；OLED為OLED圓形顯示面尺寸；UFPA為UFPA圓形感光面尺寸。

則顯示器件與成像器件之間垂軸放大率計(jì)算如下：

微光物鏡光軸上一物點(diǎn)，經(jīng)微光物鏡成像后其像點(diǎn)3也在光軸上（微光物鏡圖像中心）。在微光物鏡前端外掛一個(gè)懸掛式紅外夜視儀，由于外掛連接圈精度限制，懸掛式紅外夜視儀的光軸與微光物鏡的光軸夾角為。假設(shè)物點(diǎn)與紅外物鏡的距離為，與紅外物鏡光軸的距離為，則物點(diǎn)在紅外機(jī)芯上所成像點(diǎn)1（此時(shí)像點(diǎn)在UFPA上）與紅外物鏡光軸的距離w計(jì)算如下：

式中：w也是像點(diǎn)1與紅外機(jī)芯中心的距離。

在實(shí)際裝調(diào)時(shí)OLED所成圖像要進(jìn)行一次倒像。

像點(diǎn)1在OLED上顯示時(shí)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)2距離OLED中心的距離T計(jì)算如下：

像點(diǎn)2經(jīng)投影物鏡后以平行光出射，則像點(diǎn)2的出射光與紅外物鏡光軸夾角計(jì)算如下：

即＝。

則懸掛式紅外夜視儀的出射光與紅外物鏡光軸夾角為，與微光物鏡光軸夾角為0，說明物點(diǎn)經(jīng)傾斜的懸掛式紅外夜視儀傳輸后經(jīng)微光頭盔成像的像點(diǎn)與直接經(jīng)微光頭盔所成圖像的像點(diǎn)相重合，即懸掛式紅外夜視儀懸掛傾斜的角度不影響融合圖像的配準(zhǔn)精度。成像示意圖如圖10所示。

3.2 紅外物鏡與投影物鏡光軸一致性分析

在理論條件下紅外物鏡與投影物鏡的光軸沒有光軸偏差，此時(shí)無窮遠(yuǎn)目標(biāo)發(fā)出的平行光線分別經(jīng)紅外物鏡、投影物鏡后以平行光出射，并以0°視場(chǎng)角入射到微光物鏡，則目標(biāo)的像點(diǎn)￠在微光物鏡焦面中心，與無窮遠(yuǎn)目標(biāo)直接經(jīng)微光物鏡所成圖像相重合。

在實(shí)際裝調(diào)時(shí)紅外物鏡與投影物鏡具有一定的光軸偏差角，此時(shí)無窮遠(yuǎn)目標(biāo)發(fā)出的平行光線分別經(jīng)紅外物鏡、投影物鏡后以平行光出射，并以視場(chǎng)角入射到微光物鏡，則目標(biāo)的像點(diǎn)￠與微光物鏡焦面中心有D的距離偏差，即與無窮遠(yuǎn)目標(biāo)直接經(jīng)微光物鏡所成圖像的距離偏差也為D。此時(shí)進(jìn)行光學(xué)融合時(shí)造成圖像配準(zhǔn)的偏差，易形成重影模糊的融合圖像。圖11為光軸無偏差時(shí)融合成像示意圖，圖12為光軸有偏差時(shí)融合成像示意圖。

D＝II×tg(6)

式中：II為微光物鏡的焦距。

圖10 紅外夜視儀傾斜懸掛時(shí)成像關(guān)系

圖11 光軸無偏差時(shí)融合成像示意圖

圖12 光軸有偏差時(shí)融合成像示意圖

微光頭盔成像基于真空電子學(xué)的原理，所成圖像是連續(xù)的。人眼在明亮條件下的分辨極限為1￠～3￠，則微光圖像與紅外圖像配準(zhǔn)誤差對(duì)人眼張角不大于1￠～3￠時(shí)，圖像配準(zhǔn)效果較好。由于微光頭盔為1×系統(tǒng)，即投影物鏡以偏角投射的光線經(jīng)微光頭盔后也以同樣的角度投射到人眼。故懸掛式紅外夜視儀的紅外物鏡光軸與投影物鏡光軸偏差不應(yīng)大于1￠～3￠。

3.3 紅外物鏡與投影物鏡畸變分析

紅外物鏡與投影物鏡組成的1×系統(tǒng)外掛到微光頭盔上，此外掛的精度很低，即投影物鏡的中心可能與微光頭盔的中心重合，也可能具有一定角度的偏差。微光頭盔以視場(chǎng)中心為起點(diǎn)，不同視場(chǎng)位置對(duì)應(yīng)的畸變值也不相同。如果以微光頭盔中心視場(chǎng)為基準(zhǔn)校正懸掛式紅外夜視儀的畸變，使其與微光頭盔的畸變相匹配，則懸掛的懸掛式紅外夜視儀光軸與微光頭盔光軸具有一定角度偏差時(shí)，由于畸變值的差異，造成配準(zhǔn)精度降低、融合圖像模糊。

為了避免此配準(zhǔn)誤差，則需要紅外物鏡與投影物鏡組成的1×懸掛式紅外夜視儀的畸變?cè)诟鱾€(gè)視場(chǎng)點(diǎn)處畸變相互抵消，即紅外物鏡與投影物鏡組合為一個(gè)無畸變的1×望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，如表2所示。

表2 紅外物鏡、投影物鏡在相同視場(chǎng)點(diǎn)處的畸變

4 公差分析

4.1 紅外物鏡公差分析

紅外物鏡完成設(shè)計(jì)后為了滿足后續(xù)的零件加工和裝調(diào)需要對(duì)光學(xué)零件和對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)件分配一定的公差，對(duì)應(yīng)的公差分配見表3。在進(jìn)行公差分析時(shí)以焦面位移作為補(bǔ)償（補(bǔ)償量±0.5mm）、以幾何平均傳遞函數(shù)（MTF）為評(píng)價(jià)依據(jù)、以正態(tài)分布概率方式分配實(shí)際裝配及加工時(shí)的公差值，并采用蒙特卡羅分析方法模擬200套加工裝配后的虛擬鏡頭，分析虛擬鏡頭的MTF變化，依此判斷實(shí)際鏡頭的成像效果。

表3 紅外物鏡公差

如表4所示，通過對(duì)200套虛擬鏡頭傳遞函數(shù)的分析，約有90%的虛擬鏡頭在中心頻率處的傳遞函數(shù)的對(duì)比度為0.219，已經(jīng)能滿足設(shè)計(jì)觀察的需要，即表3所分配的公差合理且滿足要求。

表4 紅外物鏡公差分析結(jié)果

4.2 投影物鏡公差分析

同上5.1所述，投影物鏡完成設(shè)計(jì)后為了滿足后續(xù)的零件加工和裝調(diào)需要對(duì)光學(xué)零件和對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)件分配一定的公差，對(duì)應(yīng)的公差分配見表5。在進(jìn)行公差分析時(shí)以焦面位移作為補(bǔ)償（補(bǔ)償量±0.5mm）、以幾何平均傳遞函數(shù)（MTF）為評(píng)價(jià)依據(jù)、以正態(tài)分布概率方式分配實(shí)際裝配及加工時(shí)的公差值，并采用蒙特卡羅分析方法模擬200套加工裝配后的虛擬鏡頭，分析虛擬鏡頭的MTF變化，依此判斷實(shí)際鏡頭的成像效果。

如表6所示，通過對(duì)200套虛擬鏡頭傳遞函數(shù)的分析，約有90%的虛擬鏡頭在40lp/mm頻率處的傳遞函數(shù)的對(duì)比度為0.603，已經(jīng)能滿足設(shè)計(jì)觀察的需要，即表5所分配的公差合理且滿足要求。

表5 投影物鏡零件公差

表6 投影物鏡公差分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了基于微光頭盔觀察、懸掛式紅外夜視儀的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)方法及融合圖像的配準(zhǔn)精度。通過對(duì)懸掛式紅外夜視儀技術(shù)方案的分析，其技術(shù)方案成熟可行。針對(duì)懸掛式紅外夜視儀的特殊使用方式，分析了引起微光與紅外圖像失配的因素并提出相應(yīng)的解決或消除措施，以達(dá)到比較好的光學(xué)式圖像融合的效果。通過對(duì)懸掛式紅外夜視儀的光學(xué)仿真，為其他進(jìn)行夜視儀設(shè)計(jì)和圖像融合研究的相關(guān)人員提供參考。

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Optical System Design of Suspended Infrared Night Vision Based on Low Light Level Helmet Observation

SUN Aiping，HU Jianchuan，AN Changliang，LI Xunniu，WANG Chenyue，GONG Yangyun，SONG Yuyu

(..,650223,)

Helmet night vision systems are developed from single-band to multi-band image fusion. In this study, we analyzed the technical program and image registration accuracy based on low-light-level helmet observation and a hanging infrared night vision device. Optical simulation analysis was also conducted. First, we analyzed the working mode of the combination of hanging infrared night vision and low-light-level helmet, as well as the design scheme of image rotation and circular field of view. Second, according to the design index of hanging infrared night vision, optical simulation of an infrared lens and projection lens was carried out. Third, the image registration accuracy was analyzed from three viewpoints: suspension accuracy, optical axis consistency, and distortion. Finally, according to the simulation results and image registration accuracy analysis, a technical scheme based on low-light-level helmet observation and suspended infrared night vision is feasible and can achieve the targeted effect.

projection lens, infrared lens, image fusion, image registration, suspended, infrared night vision

O439

A

1001-8891(2022)12-1278-09

2020-07-03；

2021-02-24.

孫愛平（1980-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：紅外整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：50973525@qq.com。

胡健釧（1991-），男，碩士，工程師，研究方向：紅外整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。E-mail：hjc200930@ssina.com。