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外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现

单秋莎 苏秀琴 段晶 周亮 刘凯 闫佩佩 姜凯

单秋莎, 苏秀琴, 段晶, 周亮, 刘凯, 闫佩佩, 姜凯. 外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0314002-0314002-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0314002
引用本文: 单秋莎, 苏秀琴, 段晶, 周亮, 刘凯, 闫佩佩, 姜凯. 外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0314002-0314002-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0314002
Shan Qiusha, Su Xiuqin, Duan Jing, Zhou Liang, Liu Kai, Yan Peipei, Jiang Kai. Realized large field of view infrared imaging system of single lens with external field splicing[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0314002-0314002-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0314002
Citation: Shan Qiusha, Su Xiuqin, Duan Jing, Zhou Liang, Liu Kai, Yan Peipei, Jiang Kai. Realized large field of view infrared imaging system of single lens with external field splicing[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0314002-0314002-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0314002

外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现

doi: 10.3788/IRLA202049.0314002
基金项目: 国家自然科学基金(61805275);中国科学院"西部之光"人才培养引进计划(XAB2017B27)
详细信息
    作者简介:

    单秋莎(1986-),女,博士,主要研究方向为光学系统设计和超分辨成像。Email:shqsh.2007@163.com

  • 中图分类号: TN216

Realized large field of view infrared imaging system of single lens with external field splicing

  • 摘要: 基于外视场拼接原理,研制一套大视场中波红外原理样机。设计一制冷型中波红外光学系统。采用光学系统出瞳与冷屏重合的二次成像结构形式,保证系统具有100%冷光阑效率。工作波段为3.7~4.8 μm,焦距为40 mm,相对孔径为1:2,全视场角为21.74°×17.46°(27.88°),系统总长145 mm。采用孔/反射镜分时成像的外视场拼接,实现2×1视场扩展。设计结果表明:在空间频率21 lp/mm处,轴外视场MTF>0.68,接近衍射极限。系统结构紧凑,成像质量较高。利用原理样机完成可行性和合理性验证。
  • 图  1  系统工作原理示意图

    Figure  1.  Diagram of system principle

    图  2  多孔旋转反射镜的布局图

    Figure  2.  Layout of porous rotating mirror

    图  3  外视场拼接示意图

    Figure  3.  Diagram of external field splicing

    图  4  中波红外光学系统结构图

    Figure  4.  Structure diagram of mid-wave infrared optical system

    图  5  MTF曲线图

    Figure  5.  MTF curve diagram

    图  6  系统点列图

    Figure  6.  System spot diagram

    图  7  原理样机实物图

    Figure  7.  Principle prototype physical map

    图  8  原理样机采集的拼接图像

    Figure  8.  Splicing image acquired by the principle prototype

    图  9  “横1”拼接示意图

    Figure  9.  Splicing diagram of “cross 1”

    表  1  光学系统的基本参数

    Table  1.   Basic parameters of the optical system

    ParameterValue
    Wavelength/μm3.7−4.8
    Aperture/mm20
    Focal length/mm40
    F number2
    Full field of view21.74°×17.46°(27.88°)
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    表  2  系统结构参数表

    Table  2.   System structure parameters

    Serial numberRadiusThicknessSurface typeGlass
    124.5959.72SphereSi
    239.3353.36Sphere
    356.81710SphereGe
    414.88110.49Asphere
    51 620.8656.17SphereSi
    6−40.23223.58Sphere
    7−54.7279.86AsphereGe
    8−102.9793.19Sphere
    9−63.0857.54SphereSi
    10−28.9329.79Sphere
    11−43.214SphereGe
    12−134.5892Asphere
    131 051.7766.66SphereSi
    14−49.9145.9Sphere
    15302.6794SphereGe
    16Infinity5Sphere
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    表  3  两种拼接方式的对比分析

    Table  3.   Comparative analysis of two splicing methods

    Object space spliceAdvantagesDisadvantagesSame points
    "Cross 1"No loss of frame frequency, no motion mechanismTwo optical systems,two thermal imagers,two processing systems;relatively complex structureExist of blind areas or overlapping field of view
    Front rotating mirror and mirrorOne optical system,one thermal imager,one processing system;simple splicingLoss of frame frequency, need motion mechanism
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-05
  • 修回日期:  2019-12-11
  • 网络出版日期:  2020-03-20
  • 刊出日期:  2020-03-01

外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现

doi: 10.3788/IRLA202049.0314002
    作者简介:

    单秋莎(1986-),女,博士,主要研究方向为光学系统设计和超分辨成像。Email:shqsh.2007@163.com

基金项目:  国家自然科学基金(61805275);中国科学院"西部之光"人才培养引进计划(XAB2017B27)
  • 中图分类号: TN216

摘要: 基于外视场拼接原理,研制一套大视场中波红外原理样机。设计一制冷型中波红外光学系统。采用光学系统出瞳与冷屏重合的二次成像结构形式,保证系统具有100%冷光阑效率。工作波段为3.7~4.8 μm,焦距为40 mm,相对孔径为1:2,全视场角为21.74°×17.46°(27.88°),系统总长145 mm。采用孔/反射镜分时成像的外视场拼接,实现2×1视场扩展。设计结果表明:在空间频率21 lp/mm处,轴外视场MTF>0.68,接近衍射极限。系统结构紧凑,成像质量较高。利用原理样机完成可行性和合理性验证。

English Abstract

    • 高速摄影技术在交通、航空、航天等军用、民用领域均有很广泛的应用,尤其是对大视场目标高速测量时,被测目标速度快、目标多、所占的视场范围大,受限于探测器的尺寸,单台的高速摄像机已不能拍摄到完整的画面,探测器的尺寸成为限制相机视场的主要因素。视场拼接技术是解决大视场问题的一个热点。目前的视场拼接方案分为像方拼接(内拼接)和物方拼接(外拼接)两种。

      像方拼接(内拼接)是在像面处用多个探测器进行拼接,可以直接拼接,也可以通过光学元件进行光学拼接[1-2],将多片探测器按照一定排列方式拼连成一个完整的大接收靶面,参考文献[3]提出了采用反射棱镜分光的光学拼接方式,棱镜将像面分割成4个,并分别对应4个探测器,结构紧凑,无运动部件,但要求光学系统有较长的后截距,以满足反射棱镜的布局需求,而且能量利用率降低,系统横向尺寸较大。在红外波段内,制冷型探测器其焦平面封装在杜瓦瓶内,因此,焦平面直接拼接的方法不适合,而且探测器自身有一定的长度,若采用棱镜分光拼接或者反射镜分时指向的拼接方法,需增大后截距,拉长结构。

      物方拼接(外拼接)是在成像物空间实现对观测区域的拼接,将多个相机按照不同的拼接角度和相对位置进行一定组合,获得大视场图像[4],每个镜头都对应一个探测器,比如“横1”、“纵1”、“田”字和“T”型等。参考文献[5]提出了由4个测量相机以“田”字型拼接实现大视场测量的方案,布局简单,但需要多个光学参数一致的相机,并存在着视差,给视场拼接带来误差。对于红外波段而言,制冷型红外探测器造价昂贵,加工成本增加。

      文中提出一种外置反射镜的物方拼接(外拼接)方式,以单镜头多反射镜的方法实现视场扩展。于光学镜头前依次放置多孔旋转反射镜和平面反射镜,利用孔/反射镜的切换获得不同观测区域的图像,以牺牲成像帧频的方法获得大视场图像。该方法结构紧凑简单,能量利用率较高,适用性高,既可适用于可见光波段,也可适用于红外波段。

    • 外视场拼接方式的基本思路是利用孔和反射镜分时曝光进行视场分割,多个反射镜对一个成像镜头,实现不同观测区域的凝视成像。通过控制多孔旋转反射镜的转动,将不同观测区域分时曝光在探测器靶面上,从而达到扩大系统视场的目的。

      以两光路为例说明外视场拼接的原理,光学系统前依次放置多孔旋转反射镜和反射镜,如图1所示。多孔旋转反射镜上交替均布孔和反射镜,如图2所示。当多孔旋转反射镜在光路中为孔时,光路1曝光;当多孔旋转反射镜在光路中为反射镜时,光路2曝光;从而实现光路1和光路2交替曝光。

      图  1  系统工作原理示意图

      Figure 1.  Diagram of system principle

      图  2  多孔旋转反射镜的布局图

      Figure 2.  Layout of porous rotating mirror

      此种外拼接方式存在视觉盲区或视场重叠的现象,如图3所示。光路1的主光轴与光路2的主光轴成一定夹角θ$\theta \geqslant 2\omega $时,两交汇视场会产生视觉盲区(即漏测),造成观测区域遗漏,如图3(a)所示;$\theta < 2\omega $时,两交汇视场存在视场重叠现象,浪费视场资源,如图3(b)所示。通过调整两光轴的夹角θ和两反射镜的轴向间隔,即可避免上述现象。通过控制反射镜和多孔旋转反射镜的交替成像,从而达到扩大视场的目的,该方法的拼接效果将在文中第3部分内容中体现。

      图  3  外视场拼接示意图

      Figure 3.  Diagram of external field splicing

    • 该红外系统采用中波640×512制冷型焦平面阵列探测器,其像元尺寸为24 μm×24 μm,红外光学系统的基本参数如表1所示。

      表 1  光学系统的基本参数

      Table 1.  Basic parameters of the optical system

      ParameterValue
      Wavelength/μm3.7−4.8
      Aperture/mm20
      Focal length/mm40
      F number2
      Full field of view21.74°×17.46°(27.88°)
    • 为保证红外系统具有100%冷光阑效率,即探测器的冷屏与系统的出瞳重合。由基本参数可知,该系统具有中等焦距、中等视场、大相对孔径的结构特点,采用二次成像的折射式结构形式,以提高系统的孔径利用率。

      相对孔径较大的红外系统存在着多种高级像差,视场较大的系统轴外像差(彗差、像散、场曲、倍率色差、畸变)需要进行校正。通过Si、Ge两种材料的搭配以校正色差,并采用非球面来校正大相对孔径引起的球差、彗差与控制畸变,可有效校正和平衡初级及高级像差[6-10]

      利用光学设计仿真软件CodeV对初始结构进行优化,将光学结构复杂化,并将3个Ge材料的表面非球面化,以达到平衡像差的目的,最终优化结果如图4所示,系统由8片透镜组成,其中3个表面为高次非球面,透镜材料为Ge和Si,系统采用二次成像设计,压缩第一片透镜的口径,总长145 mm,结构紧凑,系统结构参数如表2所示。

      图  4  中波红外光学系统结构图

      Figure 4.  Structure diagram of mid-wave infrared optical system

      表 2  系统结构参数表

      Table 2.  System structure parameters

      Serial numberRadiusThicknessSurface typeGlass
      124.5959.72SphereSi
      239.3353.36Sphere
      356.81710SphereGe
      414.88110.49Asphere
      51 620.8656.17SphereSi
      6−40.23223.58Sphere
      7−54.7279.86AsphereGe
      8−102.9793.19Sphere
      9−63.0857.54SphereSi
      10−28.9329.79Sphere
      11−43.214SphereGe
      12−134.5892Asphere
      131 051.7766.66SphereSi
      14−49.9145.9Sphere
      15302.6794SphereGe
      16Infinity5Sphere

      设计完成的中波红外光学系统的像质接近衍射极限,系统MTF和点列图分别如图5图6所示,系统在奈奎斯特频率(21 lp/mm)处轴外视场的MTF>0.69,边缘视场的弥散斑的均方根值(RMS)为3.3 μm,小于爱里斑直径(39.04 μm),具有较好的成像质量。

      图  5  MTF曲线图

      Figure 5.  MTF curve diagram

      图  6  系统点列图

      Figure 6.  System spot diagram

    • 基于外视场拼接原理,于系统前依次放置多孔旋转反射镜和平面反射镜,利用单镜头实现2×1的视场扩大。为有效利用光学系统的视场资源,采用两视场边缘光线平行的方式($\theta = 2\omega $)进行拼接,在保证各自的机械支撑结构的同时,尽量缩短两平行光线的间隔,减小视场盲区。

      根据中波红外系统的视场角确定平面反射镜的放置角度及位置、多孔旋转反射镜的放置角度及位置、多孔旋转反射镜中的扇形反射镜和平面反射镜的尺寸,即要保证其中波红外系统的视场不被遮挡,又要避免因扇形反射镜的有效反射区域过大而造成的鬼像。合理控制曝光位置,以达到和孔/反射镜曝光同步。

      将原理样机对着室外进行成像,实物图如图7所示,其采集图像如图8所示,图8(a)(b)的左右图像为对应不同视场下的拍摄图形,下图为拼接图像,由拼接图像可看出拼接处过渡平滑,无缝衔接,既不存在视场重叠[11],也没有出现视场盲区。

      图  7  原理样机实物图

      Figure 7.  Principle prototype physical map

      图  8  原理样机采集的拼接图像

      Figure 8.  Splicing image acquired by the principle prototype

      和其他物方拼接相比,如“横1”,利用2个镜头对应2个探测器,每个相机按照一定的角度实现2×1的视场拼接,如图9所示。采用“横1”拼接方式也可得到如图8的拼接效果。

      图  9  “横1”拼接示意图

      Figure 9.  Splicing diagram of “cross 1”

      两种拼接方式的对比分析如表3所示。由表3分析可知,前置多孔旋转反射镜和反射镜的拼接方式具有一定的优势,拼接方式简单,成本低。

      表 3  两种拼接方式的对比分析

      Table 3.  Comparative analysis of two splicing methods

      Object space spliceAdvantagesDisadvantagesSame points
      "Cross 1"No loss of frame frequency, no motion mechanismTwo optical systems,two thermal imagers,two processing systems;relatively complex structureExist of blind areas or overlapping field of view
      Front rotating mirror and mirrorOne optical system,one thermal imager,one processing system;simple splicingLoss of frame frequency, need motion mechanism
    • 文中提出了一种基于孔和反射镜分时曝光的外视场拼接方式,利用不同位置和不同角度的反射镜分割视场,实现了不同观测区域的凝视成像。此种拼接方式简单,对红外光学系统的设计不需要提出附加的设计要求,为物方视场拼接提供了一种新思路。

      为了验证该拼接方式的工程可行性和合理性,设计并搭建原理样机,根据中波红外系统的视场大小,确定多孔旋转反射镜的反射镜/孔尺寸、放置角度和位置、平面反射镜的尺寸、放置角度和位置。将采集到的2个图像拼接成1幅,拼接图像无缝拼接,利用单镜头获得43.48°×17.46°大视场图像。此种拼接方式还可以进行视场扩展,比如,将上述2×1光路系统分布为上下两层,实现4×4的视场拼接。

参考文献 (11)

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