CN108169807A - 一种集成式短波红外光学成像系统 - Google Patents

Abstract

一种集成式短波红外光学成像系统涉及光学设计领域，解决短波红外探测器的分辨率低、利用率低与结构复杂的问题，该系统包括：短波红外探测器、前置物镜组、色散分光组件、掩膜板、编码解码装置和图像融合单元，前置物镜组的一侧设有色散分光组件，前置物镜组与色散分光组件的光路的共焦面上设置有掩膜板，掩膜板紧靠短波红外探测器，掩膜板上设有偏振光栅和由编码解码装置编码得到的亚像素子空间编码；能够得到色散型分光多光谱图像、超分辨率图像和分焦面偏振图像；图像融合单元融合三种，且融合后的图像的分辨率变高。本发明集成三种成像模式，简化结构节省空间，三种图像具有多种用途，且三种图像经图像融合单元融合能够得到更清晰的图像。

Description

一种集成式短波红外光学成像系统

技术领域

本发明涉及光学设计领域，特别涉及一种集成式短波红外光学成像系统。

背景技术

短波红外(short wave infrared,SWIR)的波长范围在1～2.5μm之间，性质与可见光类似，是物体反射的光，具有可以媲美可见光的成像效果和质量。短波红外可以在辉光和夜光等低照度背景下成像，同时对云、雾、烟具有良好的穿透能力。由于这些优势，短波红外成像技术在军事和民用领域得到广泛的应用。

短波红外探测器的发展水平影响着短波红外成像技术的发展，短波红外的探测需要特制的探测器，但目前短波红外探测器的利用率低。由于受到加工工艺、系统功耗、加工成本等因素的限制，目前采用的短波红外探测器通常规格较小、像元尺寸较大，对目标细节特征的探测能力较弱，红外系统分辨率较低。此外，短波红外探测器昂贵的价格也限制了短波红外的应用。

传统的提升红外系统分辨率最直接的方法就是减小探测器的像元尺寸。目前常用的红外探测器的像元尺寸维持在25μm左右，虽然像元尺寸逐渐向17μm、12μm(甚至更小的尺寸)过渡，但由于像元尺寸逐渐接近物理极限而极大地增加了探测器的加工难度和成本造价，此外还会带来光电串扰、能量损耗、信噪比降低等一系列的问题。目前采用的超分辨成像系统大多结构复杂或者含有机械运动部件，给加工、装调带来了一定的困难，不能满足轻量化设计要求。

突破短波红外探测器像元尺寸的限制，提高短波红外系统的分辨率，充分挖掘短波红外探测器的使用价值成为亟待解决的问题。

发明内容

为了解决短波红外探测器的分辨率低、利用率低与结构复杂的问题，本发明提供了一种集成式短波红外光学成像系统，该系统集成多光谱成像、超分辨率成像、偏振成像三种成像模式，且通过图像融合单元融合三种成像模式所成图像以进一步提高探测图像的分辨率。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种集成式短波红外光学成像系统，包括：短波红外探测器，还包括：前置物镜组、色散分光组件、掩膜板、编码解码装置和图像融合单元，前置物镜组的一侧设有色散分光组件，前置物镜组与色散分光组件的光路的共焦面上设置有掩膜板，掩膜板紧靠短波红外探测器，所述掩膜板上设有偏振光栅和由编码解码装置编码得到的亚像素子空间编码；

探测目标光束经前置物镜组会聚后分成三路：一路光束经色散分光组件色散分光后在短波红外探测器上得到具有光谱信息的色散型分光多光谱图像；一路光束经亚像素子空间编码后在短波红外探测器上得到编码调制图像，通过编码解码装置解码获得超分辨率图像；一路光束经偏振光栅偏振后在短波红外探测器上得到具有偏振特性的分焦面偏振图像；

图像融合单元融合色散型分光多光谱图像、超分辨率图像和分焦面偏振图像，且融合后的图像的分辨率高于色散型分光多光谱图像、超分辨率图像和分焦面偏振图像中的任意一个。

所述偏振光栅为在掩膜板上设有若干栅格行，每行栅格行包括沿0°、45°、90°、135°四个方向金属栅线且与短波红外探测器上像元尺寸相同的栅格。

所述亚像素子空间编码为在掩膜板上与短波红外探测器上像元尺寸相同区域4×4等分，得到16个子空间。

通过编码解码装置的编码作用来控制每个子空间的透光状态。

所述亚像素子空间编码为固定的编码图案。

所述一路光束经色散分光组件色散分光后，Nyquist频率处各分光谱段的调制传递函数均保持在0.5以上。

所述前置物镜组的焦距为60mm，相对孔径为1/4，视场角为20°，光谱范围为1μm～2.5μm。

所述前置物镜组包括多块透镜，透镜的材料为ZF12、CaF₂或Silica。

所述色散分光组件包括反射棱镜、入射狭缝、场镜和色散分光元件；

前置物镜组出射的光束依次经反射棱镜反射、入射狭缝限制辐射通量、场镜压缩、色散元件色散分光反射、场镜压缩和反射棱镜反射，入射到共焦面。

所述图像融合单元的融合包括图像分解变换、图像叠加和图像分解逆变换三个步骤。

本发明的有益效果是：本发明在同一短波红外探测器上集成色散型分光多光谱成像、超分辨率成像、分焦面偏振成像三种成像模式，且三种模式共用同一前置物镜组，既有效提高了系统的分辨率，又提高了昂贵的短波红外探测器的利用率和性价比。本发明的色散型分光多光谱成像和分焦面偏振成像分别采用色散型分光技术和偏振分光技术，系统内部没有机械运动部件，光能集中度更高，整体结构更加紧凑，系统重量得到降低，满足光学系统轻量化设计要求。三种成像模式获得的图像既可以根据应用需求单独使用，也可以通过图像融合单元将色散型分光多光谱图像和分焦面偏振图像融合到超分辨率图像上，融合所得图像的分辨率得到有效提升、清晰度更高、细节特征更加分明更丰富，极大地提升了红外探测装置对地物目标的探测、识别、分析能力，构建信息量更加丰富的数据立方体。

附图说明

图1为本发明一种集成式短波红外光学成像系统原理与应用流程图。

图2为本发明一种集成式短波红外光学成像系统结构图。

图3为本发明掩膜板的亚像素子空间编码示意图。

图4为本发明掩膜板的偏振光栅示意图。

图5为本发明图像融合单元的图像分解变换的一层分解示意图。

图6为本发明图像融合单元的图像分解变换的四层分解示意图。

其中，1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、反射棱镜；9、入射狭缝；10、场镜；11、色散分光元件；12、掩膜板；13、短波红外探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种集成式短波红外光学成像系统，包括：前置物镜组、色散分光组件、掩膜板12、编码解码装置、短波红外探测器13和图像融合单元，在前置物镜组的一侧设有色散分光组件，掩膜板12位于前置物镜组与色散分光组件的光路的共焦面上，且紧靠短波红外探测器13放置。掩膜板12上设有偏振光栅和由编码解码装置编码得到的亚像素子空间编码。其中编码解码装置对掩膜板12编码，也能够对经过亚像素子空间编码所得图像进行解码。

图1为本发明一种集成式短波红外光学成像系统原理与应用流程图。来自探测目标的光束(即探测目标光束)入射到集成式短波红外光学成像系统中，探测目标光束经前置物镜组会聚后分成三路：一路光束经色散分光组件色散分光后在短波红外探测器13上得到具有光谱信息的色散型分光多光谱图像；一路光束经亚像素子空间编码后在短波红外探测器13上得到编码调制图像，通过编码解码装置解码获得超分辨率图像；一路光束经偏振光栅偏振后在短波红外探测器13上得到具有偏振特性的分焦面偏振图像。图像融合单元融合色散型分光多光谱图像、超分辨率图像和分焦面偏振图像，且融合后的图像的分辨率和细节特征信息均高于色散型分光多光谱图像、超分辨率图像和分焦面偏振图像中的任意一个。

也就是说，前置物镜组会聚后的光束经色散分光组件分光后，在短波红外探测器13上得到色散型分光多光谱图像；前置物镜组会聚后的光束经过亚像素子空间编码，在短波红外探测器13上得到超分辨率图像；前置物镜组会聚后的光束经过偏振光栅在短波红外探测器13上得到分焦面偏振图像。三种图像可以根据实际需求单独使用(图1中的“直接应用”)，也可以通过图像融合单元进行图像融合后使用，图像融合即把色散型分光多光谱图像和分焦面偏振图像融合到超分辨率图像上，融合后的图像清晰度得到改善、细节特征更加丰富。

本发明的一种集成式短波红外光学成像系统包括三个子系统，分别为色散型分光多光谱成像系统、亚像素子空间编码超分辨率成像系统和分焦面偏振成像系统，分别得到色散型分光多光谱图像、超分辨率图像和分焦面偏振图像。色散型分光多光谱成像系统的光路称为色散型分光多光谱成像光路，超分辨率成像系统的光路称为超分辨率成像光路，分焦面偏振成像系统的光路称为分焦面偏振成像光路。

前置物镜组为三个子系统共用的光路，色散型分光多光谱成像系统光路包括前置物镜组和色散分光组件，超分辨率成像系统包括前置物镜组和掩膜板12上的亚像素子空间编码，分焦面偏振成像光路包括前置物镜组和掩膜板12上的偏振光栅。

探测目标光束经前置物镜组后，在焦面上清晰成像，能有效校正二级光谱色差，绝对畸变小于0.2％，调制传递函数接近衍射极限，1000米航高下系统全色地面像元分辨率0.5米或优于0.5米。

色散分光组件设置在前置物镜组与焦平面之间，对经前置物镜组会聚后的光束进行分光，得到色散型分光多光谱图像。色散分光组件构成的光路的焦面与前置物镜组的焦面位置重合，这个重合的焦面可以称为共焦面。在共焦面上放置掩膜板12和短波红外探测器13，并且掩膜板12紧靠短波红外探测器13放置，掩膜板12完全贴合在短波红外探测器13上。色散分光组件构成的成像系统成像质量好，能够有效分光10个通道以上，具有色畸变小、谱线弯曲小的特点，光束经色散分光组件后，Nyquist频率处各分光谱段的调制传递函数均保持在0.5以上。

掩膜板12上与多光谱成像光路对应的区域不设置任何编码图案。掩膜板12上与超分辨率成像光路对应的区域设置亚像素子空间编码图案，亚像素子空间编码通过编码解码装置编码，编码解码装置选用计算机编码与解码，光束依次经过前置物镜组和亚像素子空间编码，在短波红外探测器13上得到编码调制后的图像，通过计算机解码从这些调制图像中重构出超分辨率图像。掩膜板12上与偏振成像光路对应的区域设置偏振光栅，偏振光栅为在掩膜板12上设有若干栅格行，每行栅格行包括沿0°、45°、90°、135°四个方向金属栅线，每个栅格与短波红外探测器13上的像元等大(尺寸相同)。光束依次经过前置物镜组和偏振光栅，在短波红外探测器13上得到目标在不同方向的偏振强度图像。虽然三个子系统都要通过掩膜板12，但与色散型分光多光谱成像光路对应的部分不做任何设置(不设置任何编码图案，图1的“空置”)，掩模板12可以为仅含偏振光栅和亚像素子空间编码，此时大小为仅对应超分辨率成像光路和分焦面偏振成像光路，即色散型分光多光谱成像光路的光束不经过掩模板12。

根据不同的应用需求，三个子系统的图像既可以单独进行使用，也可以对三个子系统的图像进行融合处理来使用，也就是对短波红外探测器13得到的三种图像进行融合，把色散型分光多光谱图像的光谱信息、分焦面偏振图像的偏振特征信息融合到超分辨率图像上，得到层次更加丰富、细节特征更加分明的清晰图像。

图2为本发明一种集成式短波红外光学成像系统结构图。本实施方式中前置物镜组焦距为60mm，相对孔径为1/4，视场角达到20°，光谱范围为1μm～2.5μm。前置物镜组采用第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7；色散分光组件采用反射棱镜8、入射狭缝9、场镜10和色散元件11，其中色散元件11既可以是满足要求的色散分光棱镜也可以是满足要求的色散光栅。

短波红外要求光学玻璃材料在宽谱段范围内具有相对较高的透过率。虽然普通光学玻璃在短波红外波段具有良好的透过率，但其色散系数和相对部分色散系数在短波红外波段发生极大的变化，可见光波段的消色差玻璃组合不再适用于短波红外波段。综合考虑普通光学玻璃在短波红外波段的色散特性、光学系统像差校正、市场供应和成本等因素，本实施方式中主要选择重火石玻璃ZF12、晶体材料CaF₂、石英玻璃Silica三种普通光学玻璃进行设计。上述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和场镜10的具体参数见下表：

在同一光轴上自左至右依次排列第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7，各透镜之间的距离通过使用光学设计软件ZEMAX优化得到。为了实现色散型分光多光谱成像，反射棱镜8放置在前置物镜组第七透镜7的右侧偏上方，第七透镜7出射的部分光束入射到反射棱镜8的第一反射面上并发生反射。经反射棱镜8的第一反射面反射后的光束经过入射狭缝9限制辐射通量、场镜10压缩入射到色散元件11上，光束色散元件11色散分光反射后，经过场镜10压缩、反射棱镜8的第二反射面反射后入射到共焦面上。其中光束经场镜10偏折，以解决光束口径过大，与色散元件11和反射棱镜8无法匹配的问题。共焦面上放置掩膜板12和短波红外探测器13，并且掩膜板12紧靠短波红外探测器13放置，掩膜板12与超分辨率成像和分焦面偏振成像对应的部分分别设置亚像素子空间高频编码图案和偏振光栅，第七透镜7出射的部分光束直接入射到亚像素子空间编码区和偏振光栅区。

为了实现超分辨率成像功能，具体为在掩膜板12上与超分辨率成像光路对应的区域设置4×4亚像素子空间编码掩膜图案，掩膜板12上每一个4×4的区域对应短波红外探测器13上的一个像元，本实施方式采用计算机编码解码(计算机作为编码解码装置)，采用的短波红外探测器13为640×512像素25μm像元大小的短波红外探测器13，即掩膜板12上每一个25×25μm区域(每个与像元尺寸相同的区域)人为等分为16个亚像元尺寸的子空间，不同的编码图案用来约束每一个子空间的透光状态，利用计算机编码算法控制每个子空间编码的透光状态，子空间编码图案如图3所示，其中透光用1表示，不透光用0表示，子空间编码图案可以为设计好后就固定下来，不再发生变化。推扫工作模式下，前后两次推扫成像之间，光学系统沿推扫方向移动1/N像元(N为大于1的正整数)，即相邻两幅图像之间相差不到一个像元的距离，亚像素子空间编码图案对目标强度进行调制，重复这一过程获取同一目标场景的N幅具有明显差异的不同图像，利用差分成像等计算机解码算法就能重构出高分辨率图像，分辨率高于前置物镜组所得图像的分辨率，分辨率可以达到2000×2000像素。

为了实现分焦面偏振成像功能，掩膜板12上与偏振成像光路对应的区域设置沿着四个不同方向的金属栅线的栅格，每一个方向的金属栅线对应短波红外探测器13上的一行像元。根据Stokes矢量矩阵公式，这四个方向分别为0°、45°、90°、135°，每行栅格行包括沿0°、45°、90°、135°四个方向的金属栅线的栅格，每个栅格与短波红外探测器13上像元(25×25μm)尺寸相同，如图4所示。图4是沿四个不同方向的四行栅格行的示意图。推扫工作模式下，系统推扫方向从左至右，成像过程中依次获得同一地物目标四个方向的偏振强度，进而求解Stokes矢量和地物目标的偏振特性。实际应用中地物目标的反射光中圆偏振光成分通常很少，Stokes矢量中圆偏振矢量通常忽略不计。

本发明的工作原理是：在推扫工作模式下时，不同视场的地物目标信息首先进入前置物镜组，依次通过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7，部分光束经色散分光组件和不做任何处理的掩膜板12后，在短波红外探测器13上的相应位置得到色散型分光多光谱图像；部分光束经过前置物镜组的会聚后，通过掩膜板12上的亚像素子空间编码区域，在短波红外探测器13上的相应位置得到编码调制图像，后续通过计算机解码算法重构出超分辨率图像；部分光束经过前置物镜组的会聚后，通过掩膜板12上的偏振光栅区域，在短波红外探测器13上的相应位置得到分焦面偏振图像。

根据不同的应用需求，三个子系统的图像既可以单独进行使用，也可以对三个子系统的图像进行融合处理来使用。图像融合就是把色散型分光多光谱图像和分焦面偏振图像融合到超分辨率图像上，得到图像分辨率更高、层次更加丰富、细节特征更加分明的清晰图像。图像融合可以用MATLAB来完成，主要包括图像分解变换、图像叠加和图像分解逆变换三个步骤。图像分解变换之前，首先用差分放大的方法将色散型分光多光谱图像和分焦面偏振图像扩展成和超分辨率图像大小相同的图像，根据比较明显的特征点对三种图像进行配准；对配准之后的图像用小波变换、多尺度分析等方法进行多层分解，图像分解变换是将图像分解成高频信息和低频信息，其中高频信息包括沿水平方向、垂直方向、对角线方向的高频信息。通常这样的一次分解变换称为一层分解，继续将已经分解出的低频信息分解成高频和低频两部分，即为二层分解、三层分解等。图5为图像融合单元的图像分解变换的一层分解示意图，其中低频分量(低频信息)都存在图形左上方区域内其余三个部分表示水平方向、垂直方向、对角线方向的高频分量(高频信息)。一般分解为3～4层，图6为图像融合单元的图像分解变换的四层分解示意图。对于分解后的图像，将具有相同地物目标的部分叠加在一起，通过对叠加图像进行图像分解逆变换得到融合后的图像。

本发明的短波红外光学系统集成了三种成像系统，提高了昂贵的短波红外探测器的利用率和性价比，其三种成像系统共用同一前置物镜组，节约了空间与成本，降低系统的复杂性。本发明的红外光学系统采用色散型分光技术和偏振分光技术，系统内部没有机械运动部件，能量集中度更高，整体结构更加紧凑，降低了系统重量。三种成像子系统得到三种图像，超分辨率成像子系统可以提供分辨率得到提升的清晰图像；色散型分光多光谱成像子系统可以获取超分辨率成像系统与分焦面偏振成像系统没有的光谱信息，进而获得目标的细节特征信息；分焦面偏振成像系统借助物体特有的偏振特性，提高对具有相似特征的不同目标的或同一目标不同状态的分辨能力。三种图像可以根据应用需求单独使用。三种图像也可以将色散型分光多光谱图像融合到超分辨率图像上，可以获得地物目标的丰富的光谱特征信息；将分焦面偏振图像融合到超分辨率图像上，将偏振特性信息融合到超分辨率图像上，可以解决色散型分光多光谱图像中存在的“同物异谱”和“异物同谱”的缺陷，进一步为地物目标的探测和识别提供更加丰富的偏振细节特性信息。三种图像融合之后，最终将获得图像的分辨率得到有效提升，得到清晰度更高、细节特征更加分明、层次更加丰富的图像，可以极大地提升红外探测装置对地物目标的探测、识别、分析能力。

进一步的，前置物镜组采用普通光学玻璃材料来校正像差，在1～2.5μm谱段范围内成像效果良好，光学传递函数接近衍射极限，1000米航高下全色地面像元分辨率0.5米，同时降低了前置物镜组设计的难度和成本；本发明的透镜全部采用球面面型，降低了加工、装调的难度。采用亚像素子空间编码的超分辨率成像方式，通过合理的编解码算法可以获得超分辨率图像，图像分辨率至少可以提高3倍以上。色散型分光多光谱成像系统的设计具有色畸变小、谱线弯曲小的特点，有效分光10个谱段以上，1000米航高下光谱分辨率可以达到2米。

Claims (10)

1.一种集成式短波红外光学成像系统，包括：短波红外探测器(13)，其特征在于，还包括：前置物镜组、色散分光组件、掩膜板(12)、编码解码装置和图像融合单元，前置物镜组的一侧设有色散分光组件，前置物镜组与色散分光组件的光路的共焦面上设置有掩膜板(12)，掩膜板(12)紧靠短波红外探测器(13)，所述掩膜板(12)上设有偏振光栅和由编码解码装置编码得到的亚像素子空间编码；

探测目标光束经前置物镜组会聚后分成三路：一路光束经色散分光组件色散分光后在短波红外探测器(13)上得到具有光谱信息的色散型分光多光谱图像；一路光束经亚像素子空间编码后在短波红外探测器(13)上得到编码调制图像，通过编码解码装置解码获得超分辨率图像；一路光束经偏振光栅偏振后在短波红外探测器(13)上得到具有偏振特性的分焦面偏振图像；

图像融合单元融合色散型分光多光谱图像、超分辨率图像和分焦面偏振图像，且融合后的图像的分辨率高于色散型分光多光谱图像、超分辨率图像和分焦面偏振图像中的任意一个。

2.如权利要求1所述的一种集成式短波红外光学成像系统，其特征在于，所述偏振光栅为在掩膜板(12)上设有若干栅格行，每行栅格行包括沿0°、45°、90°、135°四个方向金属栅线且与短波红外探测器(13)上像元尺寸相同的栅格。

3.如权利要求1所述的一种集成式短波红外光学成像系统，其特征在于，所述亚像素子空间编码为在掩膜板(12)上与短波红外探测器(13)上像元尺寸相同区域4×4等分，得到16个子空间。

4.如权利要求3所述的一种集成式短波红外光学成像系统，其特征在于，通过编码解码装置的编码作用来控制每个子空间的透光状态。

5.如权利要求1所述的一种集成式短波红外光学成像系统，其特征在于，所述亚像素子空间编码为固定的编码图案。

6.如权利要求1所述的一种集成式短波红外光学成像系统，其特征在于，所述一路光束经色散分光组件色散分光后，Nyquist频率处各分光谱段的调制传递函数均保持在0.5以上。

7.如权利要求1所述的一种集成式短波红外光学成像系统，其特征在于，所述前置物镜组的焦距为60mm，相对孔径为1/4，视场角为20°，光谱范围为1μm～2.5μm。

8.如权利要求1所述的一种集成式短波红外光学成像系统，其特征在于，所述前置物镜组包括多块透镜，透镜的材料为ZF12、CaF₂或Silica。

9.如权利要求1所述的一种集成式短波红外光学成像系统，其特征在于，所述色散分光组件包括反射棱镜(8)、入射狭缝(9)、场镜(10)和色散分光元件(11)；

前置物镜组出射的光束依次经反射棱镜(8)反射、入射狭缝(9)限制辐射通量、场镜(10)压缩、色散元件(11)色散分光反射、场镜(10)压缩和反射棱镜(8)反射，入射到共焦面。

10.如权利要求1所述的一种集成式短波红外光学成像系统，其特征在于，所述图像融合单元的融合包括图像分解变换、图像叠加和图像分解逆变换三个步骤。