一种多光谱融合成像镜头及应用的制作方法

本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种多光谱融合成像镜头及应用。

背景技术：

不同波段的红外图像在描述物体和环境时有不同的优势，而可见光图像的优势在于人的肉眼清晰可见。现有的技术往往将单一波段的红外图像与可见光图像融合，其对环境的适应性及图像的准确性，有一定的局限性，而将可见光图像与长波、中波、短波红外图像融合，能够提高光学系统对环境的适应性，从而获得更可靠准确的图像信息。

传统的利用分光镜分光的结构，虽然能够达到分光的目的，但是由于多次反射与透射，加上相互干涉的影响，分光后的光路强度低，难以接收形成清晰准确的输出图像。公开号为CN 105572866的中国专利申请公布了一种可见光与红外复合成像装置，利用反射镜将可见光反射出光路，分别接收可见光和红外光线然后融合，是一种红外和可见光融合的思路，但是不能解决红外光透射后能量降低难以探测的问题；红外探测器要探测到红外光线，需要较高的能量，这就要求红外能量不能损失过多，且不同波长的红外探测器需要的能量不同导致其选择有制冷和非制冷的差异；可见光探测器相较于红外探测器，探测所需能量偏低；同时从成本和镜头大小的角度，为了避免分出的光路相互干涉，就需要加长镜片间的距离同时增大镜片，所以利用分光结构往往造成镜头过大成本过高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种多光谱融合成像镜头及应用。所述光谱融合成像镜头能将不同波段的红外图像与可见光图像融合，结构简单，光能利用率高，分光融合后图像准确性高。

本发明的技术方案如下：一种多光谱融合成像镜头，所述成像镜头包括窗口镜片1、分光镜组2、红外物镜组3和可见光物镜组4，其中，所述分光镜组2包括第一分光镜21、第二分光镜22和第三分光镜23，三个分光镜互相平行均位于光路上，依次将长波(8～12μm)、中波(3～5μm)、短波(1～3μm)波长的红外光分离出光轴。

所述红外物镜组3包括长波红外物镜组31、中波红外物镜组32和短波红外物镜组33，三组物镜组均垂直于光路，将分离出的不同波长的红外光线一一接收，三组物镜组中长波红外物镜组距离窗口镜片最近，短波红外物镜组距离窗口镜片1最远。

所述可见光物镜组4位于光路的末端。

三个分光镜中第一分光镜21镜片大小最大，其大小与实际需求和窗口镜片大小相配，采用蓝宝石材料制成，反射长波红外，透射中波红外、短波红外和可见光。

所述第二分光镜22镜片大小相对于第一分光镜21减小，采用ZnSe材料制成，反射中波红外，透射短波红外和可见光。

所述第三分光镜23镜片相对于第二分光镜22减小，采用K9玻璃制成，反射短波红外，透射可见光。

所述窗口镜片1采用蓝宝石镜片置于镜头最前端，保证红外与可见光的透过。

所述第一分光镜21、第二分光镜22和第三分光镜23的面型均为平面，且均与窗口镜片1成45°夹角。

所述可见光物镜组4F^#(F数)为4～8，置于透射光路最末端接收透过的可见光。

所述长波红外物镜组31F^#(F数)不大于1.4，置于第一分光镜21反射光路上，接收反射长波红外。

所述中波红外物镜组32F^#(F数)不大于2.4，置于第二分光镜22反射光路上，接收反射中波红外。

所述短波红外物镜组33置于第三分光镜23反射光路上，接收反射短波红外。

本发明还提供一种多光谱融合成像光学系统，所述光学系统包括所述多光谱合成像镜头，探测器组和图像融合输出系统，其中，多光谱融合成像镜头与探测器组连接，探测器组与图像融合输出系统连接，所述探测器组包括长波红外非制冷探测器、中波红外制冷探测器、短波红外探测器和可见光探测器。

所述可见光探测器，采用低照度的可见光探测器，与可见光物镜组连接，探测可见光。

所述长波探测器，采用非制冷型长波探测器连接到长波物镜组，与长波红外光物镜组连接，探测长波红外光。

所述中波探测器，采用制冷型中波探测器连接到中波物镜组，与中波红外光物镜组连接，探测中波红外光。

所述短波探测器，连接到短波物镜组，探测短波红外光。

本发明还提供所述多光谱融合成像镜头或所述多光谱融合成像光学系统的应用。

本发明的原理如下：不同波长的光线，在不同材料中的透过率不一样，利用不同材料，可以制作不同波长光线的分光镜。本发明利用分光镜，透过可见光，同时将不同波长的红外光线分离出来，然后再利用不同波段的红外接收装置接收，这样布置能够充分利用红外能量。红外光线的探测需要相对较高的能量，不同波长的红外探测器需求的红外能量不同，所以不同波长的红外光线的探测要求不同。分光镜与窗口镜片夹角决定了反射红外光线的多少，根据反射定律，夹角过小会导致部分光线全反射，导致无法接收，选择一个合适的夹角尤为重要。在多片分光镜连续排列时，分光镜之间连续平行排列，能减少两片镜片之间的距离，同时减小光线间的相互干涉。如果分光镜不平行，如图2，第三分光镜与第二分光镜呈一定角度，与图1对比，在同一个位置镜片就放不下，同时光线间会相互干涉，若要使光线不干涉，镜片间的距离就要比平行时多一倍。

关于分光镜及窗口镜片的大小，跟实际需要的光学系统参数(焦距、F数和视场角)有关，在焦距0-100mm范围内，光学系统就可以有很多种不同的尺寸范围，两块分光镜之间的距离，也是光学参数设计的结果，可以根据实际需要自行设置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用多个分光镜，将不同频率红外光线分离出光轴并一一接收，充分分配光能，环境适应性、图像准确性高；分光镜与光路采用45°平行同向分光结构和不同材料分光镜，减小镜头体积，充分利用光能的同时降低成本。

附图说明

图1为本发明提供的多光谱融合成像镜头的示意图；

图2为分光镜不平行制作的多光谱融合成像镜头的示意图；

图3为本发明提供的多光谱融合成像光学系统的示意图；

图中标记：1-窗口镜片，2-分光镜组，3-红外物镜组，4-可见光物镜组，21-第一分光镜，22-第二分光镜，23-第三分光镜，31-长波红外物镜组，32-中波红外物镜组，33-短波红外物镜组，6-图像融合输出系统，51-长波红外非制冷探测器，52-中波红外制冷探测器、53-短波红外探测器，54-可见光探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，一种多光谱红外和可见光复合成像的镜头，包括：

窗口镜片1，采用蓝宝石镜片置于镜头最前端，保证红外与可可见光的透过。

分光镜2，包括第一分光镜21、第二分光镜22、第三分光镜23，三个分光镜面型均为平面，与窗口镜片成45°夹角，且三面分光镜相互平行

第一分光镜21镜片大小最大，其大小与实际需求和窗口镜片大小有关，采用蓝宝石材料，反射长波红外，透射中波、短波红外和可见光；

第二分光镜22镜片大小相对于第一分光镜21减小，采用ZnSe材料，反射中波红外，透射短波红外和可见光；

第三分光镜23镜片最小，采用K9玻璃，反射短波红外，透射可见光。

红外物镜组3包括：长波物镜组31，F#不大于1.4，置于第一分光镜反射光路上，接收反射长波红外。

中波物镜组32，F#不大于2.4，置于第二分光镜反射光路上，接收反射中波红外。

短波物镜组33，置于第三分光镜反射光路上，接收反射短波红外。

可见光物镜组4，F#为4～8，置于透射光路最末端，接收透过的可见光。

实施例2

如图3所示，一种多光谱融合光学系统，包括：实施例1提供的多光谱融合成像镜头、探测器组和图像融合输出系统6，多光谱融合成像镜头与探测器组连接，探测器组与图像融合输出系统连接，所述探测器组包括长波红外非制冷探测器51、中波红外制冷探测器52、短波红外探测器53和可见光探测器54；

所述长波探测器51，采用非制冷型长波探测器连接到长波物镜组，与长波红外光物镜组连接，探测长波红外光；

所述中波探测器52，采用制冷型中波探测器连接到中波物镜组，与中波红外光物镜组连接，探测中波红外光；

所述短波探测器53，连接到短波物镜组，探测短波红外光；

所述可见光探测器54，采用低照度的可见光探测器，与可见光物镜组连接，探测可见光。

利用所述多光谱融成像光学系统的应用方法如下：步骤1：在窗口镜片后以设置多个分光镜，通过分光镜将长波、中波、及短波红外波长的红外光线分离出光轴；

步骤2：在垂直于光轴方向的同一竖直面上设置红外物镜，通过不同波长的红外探测器接收红外图像。

步骤3：在光轴末端设置可见光物镜，通过可见光探测器接收可见光图像。

步骤4：对视场内接收的不同波长红外图像及可见光图像进行融合输出。