基于波前编码的红外无热化光学系统相位掩模板热效应特性分析

分析了基于波前编码技术的无热化光学系统中相位掩模板的自身热效应,得到了不同温度下光瞳处相位板相位函数的变化.分析了由相位板热效应引起的波前编码系统成像特性的变化.通过数值及图像仿真证明了相位板热效应对波前编码无热化光学系统性能产生的影响.结果表明,相位板热效应对系统MTF(调制传递函数)的离焦不变特性和编码图像的可复原性产生严重的影响.     

环带型波前编码大景深相位模板的设计和优化

圆对称相位模板的设计是波前编码成像技术中的重要内容。通过对衍射成像理论中的广义光瞳函数的分析,提出了一种可以增大光学成像系统景深的环带型相位模板(APM)。为得到满足成像系统景深及分辨率具体需求的相位模板最优参数,建立了针对圆对称型相位模板的优化模型,并对APM以及四次方型相位模板(QPM)进行了优化。仿真结果表明:使用APM的系统具有良好的离焦不变性,且对高斯物面前后相同程度的离焦具有相似的成像特性。最后,给出了一种景深增大倍数的定量判断方法,结果表明APM的景深增大能力优于QPM。     

波前编码技术在同轴三反系统的应用及其分析

在轨运行的空间相机受到温差或运动振动等影响导致像面离焦, 成像质量下降。波前编码技术可以在保持光学系统整体参数不变的情况下扩展系统的焦深, 使调制传递函数对离焦不敏感。将波前编码技术应用于空间同轴三反系统, 提出在系统的出瞳面上加置掩模板, 并对掩模板的面型进行优化, 对原系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了分析和对比。讨论了波前编码掩模板的相位因子对系统的焦深延拓以及对像质的影响。理论及仿真结果表明: 将波前编码技术应用于同轴三反系统, 使系统对离焦不敏感, 可以很好地扩大系统的焦深, 对解决空间光学系统像面离焦问题具有很高的实用价值。     

基于波前编码的无热化红外成像技术综述（特邀）

波前编码红外成像技术是一种结合光学编码和数字解码两步成像的计算光学成像技术。波前编码无热化红外成像系统通过在红外光学系统的光阑附近增加特殊面形的光学相位板,对场景红外辐射进行编码调制,使得在宽的环境温度范围内红外焦平面探测器输出的中间编码图像具有高度一致性,再对中间编码图像进行数字解码得到清晰红外图像。近年来,国内外学者开展了大量波前编码无热化红外成像技术的理论分析和原理验证,表明其无热化特性的有效性。文中结合作者近年来的研究工作,主要介绍波前编码无热化红外成像技术的研究背景、基本原理、关键技术、国内外典型的设计方案和原理样机、并展望了波前编码红外成像技术的应用价值和发展趋势。     

不同光瞳对波前编码成像系统的影响

波前编码成像技术是一种光学编码和数字解码相结合进行景深延拓非常有效的技术.为了深入研究波前编码成像系统的成像性能,在介绍了波前编码成像原理的基础上,通过对比分析方形光瞳和圆形光瞳在编码前后分别对应不同离焦情况下的点扩散函数PSF和相应光学系统的模拟成像,得出:在传统光学系统中,圆形光瞳的离焦抑制能力优于方形光瞳;而在波前编码光学系统中,方形光瞳的离焦抑制能力明显优于圆形光瞳.这一结果对光学系统设计工作者具有非常重要的参考价值.     

基于波前编码的大焦深弹载双色红外探测系统

波前编码技术通过在光学系统光瞳位置加入特殊的相位掩模板,对目标信号光波进行编码调制,并在图像处理端对该编码信号进行解码而恢复原图像,由于被编码调制后的波前对离焦等像差的不敏感度扩大了十数倍,能显著扩大光学系统焦深。因此,波前编码技术能在编码与解码之间解决恶劣力热条件或多色制导体制对弹载红外探测系统带来的离焦和对准误差。文中基于波前编码扩大焦深基本原理,对一长长双色红外光学系统进行了10倍焦深扩大的波前编码像差钝化设计。集成样机后,进行了波前编码成像实验。以小孔点靶编码像作为PSF解码10倍离焦位置处的十字靶和四条靶图像,十字靶和四条靶解码图像清晰可辨,证明波前编码技术对于系统像差或离焦像差的抑制是有效的。最后,对波前编码成像效果进行了分析:解码图像的水波纹是由于空间采样PSF不足导致的,可提取不同视场位置PSF,使用空间变化解码算法实现条纹消除;由于解码图像会在放大信号的同时放大噪声,因此,解码算法需要进一步研究噪声抑制算法,以期满足弹载高能量、高信噪比应用的要求。     

相位差异散斑成像技术验证实验

相位差异散斑成像综合了相位差异和散斑成像两种图像处理方法,相位差异同时采集已知相位差的离焦和在焦图像,联合恢复目标图像和解算波前相位,相位差异散斑成像是在相位差异的基础上,利用多帧短曝光图像组来解算出它们所对应的波前畸变序列,同时对图像进行恢复,每帧图像组由在焦和已知离焦量的两幅图像组成。为了实践相位差异散斑成像技术,分别在室内和室外做了相关实验,在室内利用变形镜模拟光学系统像差,利用精密位移台移动相机分时采集焦面和离焦面两幅图像,恢复后的图像分辨率提高12%;室外利用某望远镜光学系统,在其后放置分光棱镜将光束平均分给焦面和离焦面两台相机,外触发同时采集短曝光图像,对20 km外的目标成像,经过单帧和多帧图像的恢复,目标图像分辨率得到显著提高。实验结果证明:相位差异散斑成像技术可广泛应用于靶场光学设备测量和地基大口径望远镜的探测成像。     

太赫兹自混合干涉成像景深扩展技术

太赫兹波在生物学和危爆物检测等领域有广泛的应用前景，但其在成像上会受到探测器灵敏度的限制。搭建一套基于太赫兹量子级联激光器的自混合相干成像系统，将全息成像技术与自混合干涉测量相结合，实现太赫兹波段的大景深成像。利用自混合收发一体的特性，在不同偏焦程度下，对分辨率板上每毫米2个线对的区域进行二维成像，在偏焦56倍波长条件下得到与焦平面处相同的图像对比度。     

相位板偏心对波前编码系统的成像影响分析

理论及实验分析了三次相位板的偏心对波前编码成像的影响。理论分析得到相位板倾斜和偏心后的波前编码系统的光瞳函数相位项的表达式。分析表明,当仅有偏心时,相位板位置变化会产生相位因子的变化效应和离焦量的改变,它们均与相位板的偏移量相关。同时仿真结果表明,偏心会改变点扩散函数(PSF)的能量分布及PSF包络的两条直角边长度,降低系统的调制传递函数(MTF)值;z向偏心对PSF的影响小于x向或y向的偏心对PSF的影响。实验结果表明,偏心在一定的范围内对PSF的影响较小,复原图像在焦深范围内的清晰度一致性较好;但是偏心会降低焦深延拓率。实验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究结果对基于相位掩模板的波前编码系统在空间光学系统、显微系统、红外成像等领域的应用具有较高的参考价值。     

利用相位差异技术检测离轴三反光学系统的波前误差

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理,针对该技术的目标函数变量多、非线性程度高等特点,提出了基于遗传算法的相位差异技术。开展了利用相位差异技术实现离轴三反光学系统在不同装调阶段的波前检测,结合干涉检验方法设计了针对扩展目标的相位差异高分辨率成像和相位估计对比实验。通过定量移动高精密平台获得焦面和离焦图像,并将解算的波前图与干涉仪的检测结果进行定量比对,验证了相位差异技术提高成像质量和正确解算波前相位信息的能力。实验结果表明,对于粗装调的光学系统,估算的波前和干涉检验结果偏差的均方根(RMS)值仅为0.0329λ;对于装调完成后的系统,相位差异技术的检测偏差RMS值小于0.013λ。     

大景深成像技术及其相移现象的控制

为了探讨三次方位相板在大景深CCD衍射受限成像系统中的作用和分析由三次方位相板引起的成像相移现象,采用原理对比分析及仿真实验的方法,得到了轴向离焦参数ψ和位相板系数α与成像系统调制传递函数及成像相移量s的关系函数,以及物方离焦量w为波长的0,50,150,300倍时普通成像系统与大景深成像系统的轮辐成像图。分析及实验结果表明,位相板以降低系统光学传递函数对轴向离焦量敏感程度的方式实现大景深成像,同时必然引起成像相移,且相移大小与景深放大倍数及位相板系数间存在一定对应关系。而适当控制景深放大倍数并合理选择位相板系数能够有效减小成像相移,获得满意的成像质量。     

波前编码应用于红外光学系统无热化的研究

波前编码技术是通过在光学系统的光阑位置放置位相板,对波前进行调制,使得光学系统对离焦类像差不敏感,从而增大了焦深,通过对中间模糊图像的数字滤波处理,可以获得清晰图像.焦深延拓的特点使该技术在红外光学系统无热化方面具有很好的应用前景.设计了一个有效焦距厂为100mm,F数为1.2,工作波段为7.5～13.5μ,m,工作距...     

多波段红外点目标的夜视成像差异分析

通过分析在夜视条件下短波红外、中波红外和长波红外点目标辐射成像机理,明确了多波段红外成像的影响因素,建立了短波红外、中波红外和长波红外图像点目标的形成模型,并对模型进行分析与仿真实验,揭示了多波段红外点目标夜视成像特性差异的形成机理,比较了多波段红外点目标成像的差异,并且通过实验图像的差异特征验证了这些成像特性差异的存在性,最后得出了多波段红外点目标图像的灰度值存在差异,大气传输影响存在差异以及夜光辐射影响存在差异的结论。     

波前编码超分辨成像技术

波前编码作为一种经典的计算成像技术,以能够大幅度拓展光学成像系统的焦深而闻名,并得到了学术界及工业界长期的关注。实际上,除了焦深的拓展,波前编码还具备实现超分辨率成像的潜力,而这在已有的研究中鲜有讨论。一方面,相位掩膜板的引入在降低光学系统传递函数并使其对离焦不敏感的同时,也有效降低了欠采样数字成像系统中的混叠效应,从而提供了更适合于进行超分辨率重构的数据源。另一方面,相位掩膜板所引起的点扩散函数支持域的巨大化效应使得以数字的方式、从采样间隔可以被认为是无限小的、理想的光学焦平面点扩散函数来计算与特定探测器物理像元大小相对应的采样点扩散函数成为可能。因此,从这两个特点出发,提出了一种为波前编码系统定制的、基于单帧图像放大的超分辨率重构算法,并且研制了原型样机对超分辨率的效果进行了检验。试验表明:焦距50 mm/F数4.5的Cooke三片系统除了焦深拓展超过20倍且具有接近衍射受限成像品质之外,利用复原算法能够实现至少3倍的高品质超分辨率重建效果。     

疵病检测中适用于不同倍率物镜的波前编码板优化设计

为了更有效地对光刻投影物镜进行疵病显微检测 ,通过对波前编码(WFC)板上光线入射角度及其系数之间变化关系 的分析,设计和优化了一个可以同时适用于5X、10X显微物镜的WFC板。设计 结果表明,加入优化设计的WFC板后,分别对5X、10X和 20X显微物镜延拓了3到10倍的景深; 同时,光学系统的调制传递函数(MTF)在空间截止 频率附近都能保持较好的数值,保证了其应有的分辨率。通过成像仿真实验,对比了加 入WFC板前后的不同倍 率显微物镜的离焦成像能力。结果表明,所设计的WFC板对不同倍率的显微物镜都 有良好的景深延拓能力,在疵病显微检测中具有良好的适应性和有效性。     

基于波前编码的红外光学系统消热差设计研究

消热差是红外光学系统设计的重要环节之一,本文介绍使用波前编码技术进行红外光学系统消热差设计的原理及方法,分析波前编码的基本原理,给出波前编码光学系统调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)的表达式.在此基础上,以三片式长波红外光学系统为例,利用ZEMAX光学设计软件分析其在常温(+20℃)、-40℃和+60℃下的成像质量.分析结果表明,该系统在常温下的成像质量接近衍射极限,但是当温度在-40～+60℃之间变化时,MTF值迅速下降且出现零点,说明系统的成像质量急剧恶化,不再满足使用要求.加入波前编码相位版进行消热差设计后,MTF值对温度不再敏感,在不同温度下可以得到较为清晰的目标图像,表明波前编码技术可以实现红外光学系统的消热差设计.     

提高散斑场纵向相关性的相位编码调制方法

散斑在轴向的退相关现象是制约散斑干涉测量适用性的关键问题之一,为了提高散斑场的纵向相关性,从而提高散斑干涉图像的条纹对比度,扩大物体离面形变的测量范围,提出一种对散斑场进行相位编码调制的方法,即将波前编码技术扩展景深的方法用于散斑场编码,在孔径光阑位置上放置立方型相位板实现相位调制。首先分析了该编码调制方法用于提高散斑场纵向相关性的可行性,然后基于4f系统模拟仿真并实验验证了通过相位编码调制提高编码散斑场的纵向相关性的实际效果。结果表明,编码后散斑的纵向尺寸从0.17 mm提高到0.4 mm,大约提高了2.5倍。     

红外场景中成像系统非线性效应的动态模拟

红外成像系统非线性效应对红外图像的成像质量影响较大,也是制约目标识别精度的关键,如何实时高效地模拟成像系统非线性效应已成为当前三维红外视景仿真研究的热点和难点。提出了一种红外仿真场景成像系统非线性效应的动态添加方法,分析了渐晕、扭曲、噪声、离焦等典型非线性效应的计算过程,利用渲染到纹理(RTT)技术为仿真视口添加“镜头”,在Unity平台的基础上利用顶点和片段着色器将非线性效应在“镜头”上模拟,并与零视距红外仿真场景进行逐像素叠加运算,从而实现非线性效应的动态仿真。实验结果表明,该方法具有较高的真实感和可靠性,仿真开销较小,满足成像系统非线性效应的仿真需求。     

波前编码技术:新兴的“光学-数字”一体化成像技术

波前编码技术是一种即可以提高系统成像质量又可以降低系统种类的“光学-数字“一体化的系统级成像技术,可以很好地控制离焦以及由离焦引起的像散、Petzval场曲、色差,还有由装调、温度漂移等引入的类似离焦的像差,在大视场、大焦深的条件下获得接近衍射极限的像质。介绍了波前编码技术的发展过程、理论基础、各国研究进展、应用前景等方面,并提出了目前存在的问题。     

基于立方型相位板调制的波前编码图像恢复

针对立方型相位板对光瞳调制具有非旋转对称性及实际相位板方位测试困难从而导致实际波前编码系统后续图像不能准确恢复的问题,提出了以灰度梯度向量模方和为判据的等增量旋转调整点扩散函数(PSF)的维纳滤波方法。对于手持式裂缝检测波前编码系统的图像恢复,以ZEMAX软件设计得到的PSF为基础,根据立方型相位板PSF的旋转性质,进行旋转增量修正,并使用循环边界的方法消除截断振铃效应,来提高图像恢复的质量。实验表明,改进算法可以有效地修正系统的PSF,对波前编码实际系统图像的恢复有很好的适用性。