[發明專利]一種超探測器分辨率紅外無熱化成像系統設計方法

在審

• 申請號: 202010528191.4
• 申請日: 2020-06-11
• 公開（公告）號: CN111596458A
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 謝洪波;王茂宇;楊磊
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G01J5/00;G01J5/08
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司 12107
• 代理人: 張義

本發明提供的一種超探測器分辨率紅外無熱化成像系統設計方法，所述方法將光學設計與圖像處理結合，需要在常溫時先優化成像質量接近光學衍射極限，為后續圖像處理提供先驗信息，再在系統的一次成像光闌處添加一塊相位板，使系統在?40℃～70℃下對熱離焦不敏感，并通過后期圖像計算的方式進行圖像恢復，重建圖像在不同溫度下的成像質量均可突破探測器極限分辨率。該方法不改變系統原有的光學結構，幾乎不增加重量，成本低，無熱化效果顯著。經過圖像計算后，重建圖像像質突破探測器分辨率，接近光學衍射極限分辨率。

技術領域

本發明屬于光學領域，涉及一種利用波前編碼的方式，同時實現紅外成像系統-40℃～70℃無熱化，并且成像質量可突破探測器分辨率的系統，具體涉及一種超探測器分辨率紅外無熱化成像系統設計方法。

背景技術

軍用紅外成像系統對無熱化范圍要求比較嚴格，利用一些熱性能好的紅外材料進行熱補償，鏡片數較多，成本高昂。另外，用于紅外成像的探測器價格昂貴，分辨率由探測器像元大小決定，且分辨率越高，探測器價格越高。紅外成像系統的光學分辨率可能受限于紅外探測器。因此，更好地消除系統由于溫度變化而導致的熱離焦，并且在固有探測器條件下獲得更高分辨率的圖像，從而節約成本并獲得更廣闊的應用范圍，成為了當前的研究熱點之一。

傳統紅外系統無熱化設計方式多采用機械被動式無熱化設計與光學被動式無熱化設計。機械無熱化設計成本高，結構復雜，系統體積大。無熱化效果有限。而光學被動式無熱化設計通過求解光焦度、消色差和消熱差方程組。在部分情況下得不到合理的解，無法獲取系統設計的參數。

圖像超分辨率處理技術通常可以分為兩大類，基于多幀圖像處理(序列圖像重建)和單幀圖像重建(靜態圖像插值法)方法。多幀圖像處理是由多幀低分辨率圖像來重建高分辨率理想圖像，但對同一場景圖像要求比較嚴格，低分辨率圖像需要有亞像素的偏移，應用比較受限。單幀圖像重建技術是利用一幀探測器采集到的低分辨率圖像的信息，結合圖像的先驗知識，恢復圖像的高頻信息。通過重建算法提高圖像分辨率，應用范圍廣，成像分辨率高。

發明內容

為了解決上述問題，本申請的目的在于提供一種超探測器分辨率紅外無熱化成像系統設計方法，利用波前編碼技術，同時實現紅外成像系統-40℃～70℃無熱化，并且成像質量可突破探測器分辨率極限。該方法不改變系統原有的光學結構，幾乎不增加重量，成本低，無熱化效果顯著。經過圖像計算后，重建圖像像質突破探測器分辨率，接近光學衍射極限分辨率。

為實現本發明的目的，本發明提供的一種超探測器分辨率紅外無熱化成像系統設計方法，所述方法將光學設計與圖像處理結合，需要在常溫時先優化成像質量接近光學衍射極限，為后續圖像處理提供先驗信息，再在系統的一次成像光闌處添加一塊相位板，使系統在-40℃～70℃下對熱離焦不敏感，并通過后期圖像計算的方式進行圖像恢復，重建圖像在不同溫度下的成像質量均可突破探測器極限分辨率。

其中，所述紅外無熱化成像系統整體設計為二次成像結構，相位板放置在系統一次成像冷闌共軛處，同樣起到光闌作用。

其中，冷闌面設計為光闌面，保證冷闌效率100％。

其中，所述紅外無熱化成像系統的接收部分由探測器及圖像復原單元組成，探測器的輸出信號經過圖像復原單元，可獲得不同溫度下超探測器分辨率圖像。

其中，添加相位板后，在-40℃～70℃溫度范圍內，系統成像調制傳遞函數MTF和點擴散函數PSF一致。

其中，添加相位板后，光學傳遞函數幅值降低，點擴散函數支持域增加。由于點擴散函數RMS值的顯著增加，可以通過計算成像方式，獲得更小的像元尺寸，便于恢復更高分辨率的圖像。

其中，所述相位板為一種由二次、三次和五次冪函數疊加而成的高階相位板，該相位板的相位分布函數表達式為：