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光学被动热补偿方式实现红外与可见光图像融合物镜设计

孙爱平 郭亮 杨绍明 龚杨云 浦恩昌 雷旭峰 李泽民 汪陈跃

孙爱平, 郭亮, 杨绍明, 龚杨云, 浦恩昌, 雷旭峰, 李泽民, 汪陈跃. 光学被动热补偿方式实现红外与可见光图像融合物镜设计[J]. 红外技术, 2020, 42(11): 1028-1036.
引用本文: 孙爱平, 郭亮, 杨绍明, 龚杨云, 浦恩昌, 雷旭峰, 李泽民, 汪陈跃. 光学被动热补偿方式实现红外与可见光图像融合物镜设计[J]. 红外技术, 2020, 42(11): 1028-1036.
SUN Aiping, GUO Liang, YANG Shaoming, GONG Yangyun, PU Enchang, LEI Xufeng, LI Zemin, WANG Chenyue. Design of Objective Lens for Infrared and Visible Image Fusion by Optical Passive Thermal Compensation[J]. Infrared Technology , 2020, 42(11): 1028-1036.
Citation: SUN Aiping, GUO Liang, YANG Shaoming, GONG Yangyun, PU Enchang, LEI Xufeng, LI Zemin, WANG Chenyue. Design of Objective Lens for Infrared and Visible Image Fusion by Optical Passive Thermal Compensation[J]. Infrared Technology , 2020, 42(11): 1028-1036.

光学被动热补偿方式实现红外与可见光图像融合物镜设计

详细信息
    作者简介:

    孙爱平(1980-),男,硕士,高级工程师,研究方向:红外整机系统设计及光学系统设计。E-mail:50973525@qq.com

  • 中图分类号: TN216, TN223

Design of Objective Lens for Infrared and Visible Image Fusion by Optical Passive Thermal Compensation

  • 摘要: 图像融合的配准精度是关系到图像融合质量的一个重要性能指标。本文所述的红外与可见光图像融合物镜系统采取平行光路布局、光学被动热补偿的方式提高图像融合的配准精度。本文首先分析对比了机械热补偿方式与光学热补偿方式对提高图像配准精度的贡献;其次根据图像融合物镜系统的性能指标对红外物镜和可见光物镜进行光学被动热补偿的优化设计,并分析了对可见光物镜进行光学被动热补偿设计的必要性;第三从光学布局型式及畸变变化来分析图像融合物镜系统的图像配准精度;最后根据图像融合物镜系统的成像质量和图像配准效果,可得出融合图像质量好、能满足指标要求的结论。
  • 图  1  机械热补偿

    Figure  1.  Mechanical thermal compensation

    图  2  红外物镜光学布局

    Figure  2.  Optical layout of infrared objective lens

    图  3  红外物镜的MTF曲线和点列图

    Figure  3.  MTF curves and point graph of infrared objective lens

    图  4  可见光物镜光学布局

    Figure  4.  Optical layout of visible objective lens

    图  5  可见光物镜的MTF曲线和点列图

    Figure  5.  MTF curve and point plot of visible objective lens

    图  6  照相物镜光学布局

    Figure  6.  Optical layout of photographic objective lens

    图  7  照相物镜的MTF曲线

    Figure  7.  MTF curves of photographic objective lens

    图  8  图像配准精度分析示意图

    Figure  8.  Diagram of image registration accuracy analysis

    图  9  红外物镜和可见光物镜的场曲与畸变曲线

    Figure  9.  Field curve and distortion curve of infrared objective lens and visible objective lens

    表  1  图像融合系统光学设计参数

    Table  1.   Optical design parameters of image fusion system

    Infrared lens Focal length
    Field
    F/#
    Wavelength
    Detector type
    38.7 mm
    16°×12°
    1.1
    8 μm-12 μm
    UFPA 640×480, 17 μm
    Visible lens Focal length
    Field
    F/#
    Wavelength
    Detector type
    51.22 mm
    16°×12°
    1.5
    0.6 μm~0.95 μm
    CMOS 800×600, 18 μm
    Fusion lens Registration accuracy
    Distance temperature
    One pixel(0.017 mm)
    45.5 m-∞
    -40℃-60℃
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    表  2  随距离变化的图像配准精度

    Table  2.   Image registration accuracy with distance

    L/m d/mm Pixel Notes
    30 0.026 1.5 the size of each pixel is 0.017 mm
    40 0.019 1.1
    45.5 0.017 1
    50 0.015 0.88
    60 0.013 0.76
    下载: 导出CSV

    表  3  红外物镜与可见光物镜的畸变

    Table  3.   Distortion of infrared objective lens and visible objective lens

    0.5ω 0.707ω 0.85ω 1ω
    Infrared lens 20℃ -0.61879% -1.24937% -1.83023% -2.59627%
    -40℃ -0.61847% -1.24882% -1.82957% -2.59568%
    60℃ -0.61883% -1.2494% -1.83017% -2.59595%
    Visible lens 20℃ -0.61071% -1.25465% -1.83872% -2.588%
    -40℃ -0.61292% -1.25212% -1.83447% -2.5828%
    60℃ -0.60927% -1.25632% -1.84153% -2.59143%
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    表  4  红外物镜和可见光物镜的图像配准误差

    Table  4.   Image registration error of infrared objective lens and visible objective lens

    Theoretical image height /mm Infrared image height /mm Visibleimageheight /mm Error/mm
    0.5ω 3.75 3.72680 3.72710 0.00030
    0.707ω 5.3025 5.23626 5.23597 0.00029
    0.85ω 6.375 6.25832 6.25778 0.00054
    1ω 7.5 7.30528 7.30590 0.00062
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    表  5  红外物镜零件公差表

    Table  5.   Tolerance table of infrared objective lens parts

    Parameter Tolerance
    N ±3aperture
    N ±0.7aperture
    Aspheric error ±0.00007 mm
    Thickness of optical parts ±0.02 mm
    Focal plane displacement compensation ±0.5 mm
    Surface tilt ±1'
    Air distance ±0.02 mm
    Element tilt 4.5'
    Element eccentricity 0.052 mm
    - -
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    表  6  可见光物镜零件公差表

    Table  6.   Tolerance table of visible objective lens parts

    Parameter Tolerance
    N ±4aperture
    N ±0.6aperture
    Thickness of optical part ±0.03 mm
    Air distance ±0.05 mm
    Focal plane displacement compensation ±0.5 mm
    Surface tilt ±6'
    Element tilt ±6'
    Element eccentricity ±0.052 mm
    nd ±0.001
    vd ±1%
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    表  7  红外物镜公差分析结果

    Table  7.   Tolerance analysis results of infrared objective lens

    Lens percentage /% MTF minimum(Nyquist frequency)
    90 0.135
    80 0.158
    50 0.196
    20 0.248
    10 0.275
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    表  8  可见光物镜公差分析结果

    Table  8.   Tolerance analysis results of infrared lens visible objective lens

    Lens percentage /% MTF minimum(Nyquist frequency)
    90 0.301
    80 0.351
    50 0.455
    20 0.531
    10 0.597
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-19
  • 修回日期:  2020-09-07
  • 刊出日期:  2020-11-20

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