CN106199956B - 一种基于波前编码的扩大红外光学系统视场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波前编码的扩大红外光学系统视场的方法，所述方法步骤如下：在红外光学系统的光阑处加入奇对称相位掩模板，对红外光学系统的波前进行调制，在探测器上形成编码图像，通过数字滤波手段对编码图像进行解码处理，得到最终的清晰图像。波前编码技术的引入可以在保证红外光学系统的光通量和成像分辨率的情况下，实现更大的焦深的目的，同时还可以抑制了像散、球差、色差以及由安装误差和温度变化引起的离焦带来的像差。本发明操作简单，可以在不增加红外光学系统复杂度的情况下扩大其视场、提高像质。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用计算光学的方法来扩大红外光学系统视场的方法，尤其涉及一种利用波前编码成像技术来扩大红外光学系统视场的方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的迅猛发展，特别是红外探测器技术的进步，新材料的出现及制作工艺的日益完善，红外成像系统越来越多地应用于军用和民用各个领域。红外光学系统是红外成像系统不可分割的重要组成部分，它用于收集来自目标和背景的红外辐射，并将其汇聚到红外探测器的光敏面上，以便形成目标和背景的图像。随着红外探测器器件的不断升级换代以及各种应用对红外探测系统要求的不断提高，对红外光学系统的性能和优化设计也提出了更高的要求。在这种情况下，研究红外成像光学系统的设计无疑具有重要意义。
然而，一般情况下红外探测器的接收面积比较小，所以一般红外光学系统的视场不太大。因此，需要寻找一种合适的方法来扩大红外光学系统的视场。
发明内容
本发明针对现有的红外光学系统的视场较小的不足，提供了一种基于波前编码的扩大红外光学系统视场的方法。本发明在红外光学系统的光阑处加入奇对称相位掩模板，对红外光学系统的波前进行调制，使得各个视场的成像质量趋于一致，其光学传递函数（OTF）或者点扩散函数（PSF）基本保持不变，从而在探测器上形成差异极小的模糊的中间成像，并且这些中间图像可以通过数字滤波的手段复原成清晰的最终成像（解码过程包括逆滤波、维纳滤波等技术，不影响本发明的最终结果），波前编码光学系统原理图及MTF比较如图 1所示。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于波前编码的扩大红外光学系统视场的方法，包括如下步骤：
在红外光学系统的光阑处加入奇对称相位掩模板，对红外光学系统的波前进行调制，在探测器上形成编码图像，通过数字滤波手段对编码图像进行图像解码处理，得到最终的清晰图像。
由于波前编码技术的特点，可以使得系统的MTF对离焦不敏感。那么红外成像系统中由于视场增大而引起的焦面漂移对其成像质量的影响也不再变得那么严重，即视场的变化不会引起像面质量的恶化。将波前编码技术应用在红外光学系统，除了可以增大景深外，还可以将视场大小对系统的影响降至最小，从而增加设计的自由度。所以，本发明提出了利用波前编码技术扩大红外光学系统视场的方法。相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、波前编码（WFC）技术的引入可以在保证红外光学系统的光通量和成像分辨率的情况下，实现更大的焦深的目的，同时还可以抑制像散、球差、色差以及由安装误差和温度变化引起的离焦带来的像差。
3、在红外光学系统加入相位掩模板后，光学成像部分的点扩散函数（PSF）增大，使得能量分布较为分散，用CCD接受中间图像时不易发生饱和现象，有利于测量。
4、操作简单（仅仅是在光学系统光阑处放置一个纯相位掩模板），可以在不增加红外光学系统复杂度的情况下扩大其视场。
附图说明
图1为波前编码光学系统原理图及MTF比较，（a）成像过程，（b）MTF比较；
图2为红外光学系统结构图；
图3为红外光学系统调制传函MTF；
图4为红外光学系统点列图spot；
图5为红外光学系统结构图；
图6为红外光学系统调制传函MTF；
图7为红外光学系统点列图spot；
图8为加入CPM后的红外光学系统结构图；
图9为加入CPM后的红外光学系统调制传函MTF；
图10为加入CPM后的红外光学系统点列图spot。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于波前编码的扩大红外光学系统视场的方法，具体包括以下步骤：
第一步：在光学设计软件CodeV中设计一个焦距为208mm，F/#为2的两片式红外光学系统作为初始结构，红外光学系统的参数见表1，结构图如图2所示：光学系统的两片透镜材料均为 Ge，4个光学表面均为球面。将初始结构的第一个透镜的后表面（即第1个光学表面）设为光阑，系统的工作波段为，视场为。此时系统的MTF如图3所示，可以看到其MTF曲线在其整个视场范围内都比较紧凑；图4是红外光学系统的点列图，可以发现整个视场范围内弥散斑的大小及形状均无大的变化。图3、图4说明红外光学系统在视场为时成像质量还是较为稳定的。
表1 红外光学系统参数
第二步：将第一步中的红外光学系统视场扩大到，其F/#仍为2。
红外光学系统结构图如图5所示，此时光学系统的MTF、点列图分别如图6、图7所示。通过对比我们可以发现，红外光学系统视场扩大到时，其MTF曲线分布较为分散，边缘视场的MTF接近0值；由图7可以看出，边缘视场的弥散斑较中心视场的发生了较大的变形，大小约是中心视场的6倍，此时的像质是比较差的。
第三步：为了解决第二步中出现的问题，本发明提出的解决方案是在该红外光学系统的光阑处加入奇对称相位板，如三次相位掩模板（通常相位掩模板可以是加入一个特别的非球面镜，也可以将传统光学器件的一面改造为非球面，此处选用后者），其表达式如（1-1）所示：
（1-1）。
式中：为相位板参数，x, y为光瞳处归一化空间坐标。
经调试，分别取值为时像质最好，加入相位板后红外光学系统的结构图、MTF、点列图分别如图8、9、10所示，由图9、10可以明显的看出：在加入奇对称相位板后，系统的MTF曲线其整个视场范围内得到了明显提高（在17 lp/mm处均达到 0.1以上），而且系统的点列图也相当于不加相位板时更加稳定。再通过采用数字图像复原技术对编码图像进行解码，便可得到该视场下接近衍射限的清晰像。因此，通过在红外光学系统中加入相位掩模板来扩大其视场的方法十分可行。
Claims (1)
1.一种基于波前编码的扩大红外光学系统视场的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
第一步：在光学设计软件CodeV中设计一个焦距为208mm，F/#为2的两片式红外光学系统作为初始结构，红外光学系统的两片透镜材料均为Ge，4个光学表面均为球面；将初始结构的第一个透镜的前表面设为光阑，系统的工作波段为8～12μm，视场为3°；
第二步：将第一步中的红外光学系统视场扩大到7°，其F/#仍为2；
第三步：在红外光学系统的光阑处加入奇对称相位板，其表达式如(1-1)所示：
f(x,y)＝α(x3+y3)+β·x2y+γ·xy2 (1-1)；
式中：α、β、γ为相位板参数，x,y为光瞳处归一化空间坐标；
经调试，α、β、γ分别取值为-10-6、2×10-7、-5×10-8时像质最好；
再通过采用数字图像复原技术对编码图像进行解码，便得到该视场下接近衍射限的清晰像。
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