一种红外无热化波前编码成像系统的制作方法

1.本发明涉及光学设计领域，具体涉及一种红外无热化波前编码成像系统。


背景技术：

2.红外光学系统对温度很敏感，其性能受温度影响大。传统实现无热化的方法有被动式机械补偿、主动式机械补偿、被动式光学补偿等，但这些方式有着所需机械结构复杂且成本较高、对材料的选择更为严格等不足之处。而利用波前编码技术则只需相位板就可解决红外光学系统的无热化问题，且可用材料更广泛，可降低很多成本。本设计的新型可调谐余弦相位掩膜板比普通的单个面型固定的相位板具有更灵活的相位调制能力，应用范围更广且简单易操作。本设计的新型可调谐余弦相位掩膜板是在ojeda-castaneda提出的可调谐余弦相位掩膜板的基础上优化得来的，有着更好的相位调制能力并可实现动态调节。
3.传统的波前编码系统多为静态应用，一旦设计定型就无法改变编码的状态，无论成像的目标像面是否超出原始系统的景深范围都采用相同的强度的相位编码板，势必造成调制度过大或不足，而动态调节的相位编码板通过改变垂轴方向上的相对位移量，可以调节编码强度，使得系统可以在离焦不敏感和系统可还原之间进行权衡。
4.所述新型可调谐余弦相位掩膜板通过在垂直方向上的相对移动量的改变，使得原有红外成像系统在结构参数不变的情况下即可应用于-40～60℃的环境空间，亦可使用于温度范围更大的-80～200℃的环境空间，使红外成像系统的成像更为灵活。目前尚无报道将可调谐余弦相位掩膜板应用于环境温度从-40～60℃变化至-80～200℃的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决传统波前编码系统不能动态调整相位调制强度的问题，提供了一种在红外波前编码无热化系统中的新型可调谐余弦相位掩膜板，其抑制离焦能力可动态调整使得温度的适用范围更广。根据使用条件的需要，可获得实施例红外系统即可以-40～60℃内的无热化应用，当环境温度超过温度范围，此复合相位板调节能力需要增强以适应温度范围改变造成的离焦范围的增大，此时只需增大复合相位板的相对偏移量m1、m2，则此时的复合相位板调制强度更强即抑制离焦的能力也更强，可实现在超宽温度-80～200℃内的红外无热化调节。则所述的红外波前编码无热化系统可实现在宽温度-40～60℃及超宽温度-80～200℃内的红外无热化的动态调节。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种红外无热化波前编码成像系统，包括有成像透镜、可调谐相位板、图像探测器和处理器，所述可调谐相位板位于成像透镜和图像探测器之间，所述可调谐相位板的相位分布函数是由具有相对位移量的两个余弦函数叠加而成，其一维函数表达式为：
7.f(x)＝a(x+m1)cos(b(x+m1))+a(x+m2)cos(b(x+m2))
8.其中：a，b，m1，m2是相位分布函数的参数，偏移量m1和m2取值范围均为[-1,1]；x为归一化坐标，x的取值范围为[-1,1]。
[0009]
优选地，所述成像透镜包括沿光传播方向依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述可调谐相位板位于第二透镜和第三透镜之间。
[0010]
优选地，所述成像系统的工作波段的波长范围为3μm～5μm，有效焦距为100mm，f数为2，视场角为2.8
°
，系统总长为118mm。
[0011]
优选地，所述可调谐相位板包括两个相同的对称可调节式相位板；所述的两个相同的对称可调节式相位板能够以孔径平面为中心进行垂直方向上的平移，包括同向平移与反向平移。
[0012]
优选地，利用不同温度下光学传递函数mtf和点扩散函数psf等参数的一致性作为相位板的评价标准，进行优化得出最优面型系数a，b。
[0013]
优选地，通过下述评价函数，通过fisher优化算法优化得出最优面型系数a，b；
[0014]
其中：min表示最小化操作；ψ表示离焦量的最大取值范围；otf表示光学传递函数；f表示fisher信息，用来衡量系统对离焦的敏感程度，其值越小，表示对离焦越不敏感；w
20
表示离焦量；para表示相位板的参数集合。
[0015]
本发明具有如下有益效果：本发明提出了一种基于新型可调谐余弦相位掩膜板的红外无热化波前编码成像系统。传统的波前编码系统利用的是固定的相位板，这使得在设计完成后，相位板对离焦的敏感度不再变化即抑制离焦的能力不再变化，系统的物理性质也不再变化；而本设计使用的新型可调谐余弦相位掩膜板的优势在于：一是相位板物理性质可变；二是可根据温度变化所造成的离焦量对相位板偏移量进行动态调整，即对抑制离焦的能力进行动态调整，可实现在宽温度-40～60℃及超宽温度-80～200℃内的红外无热化的动态调节。这使得系统变得更加灵活，应用范围更广，可应用在温度多变的环境场景中。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0017]
图1为含有新型余弦可调谐相位板的波前编码系统光路图；
[0018]
图2为新型可调谐余弦相位掩膜板的矢高图；
[0019]
图3a为温度20℃时系统的mtf曲线图；
[0020]
图3b为温度-40℃时系统的mtf曲线图；
[0021]
图3c为温度60℃时系统的mtf曲线图；
[0022]
图4a为温度20℃时系统的点扩散函数图；
[0023]
图4b为温度-40℃时系统的点扩散函数图；
[0024]
图4c为温度60℃时系统的点扩散函数图；
[0025]
图5含有垂直方向上相对偏移量的波前编码系统光路图
[0026]
图6a为温度20℃时系统的mtf曲线图；
[0027]
图6b为温度-80℃时系统的mtf曲线图；
[0028]
图6c为温度200℃时系统的mtf曲线图；
[0029]
图7a为温度20℃时系统的点扩散函数图；
[0030]
图7b为温度-80℃时系统的点扩散函数图；
[0031]
图7c为温度200℃时系统的点扩散函数图；
[0032]
图8a新型余弦可调谐相位板不同位移组合的mtf(m1＝0.1,m2＝-0.1)；
[0033]
图8b新型余弦可调谐相位板不同位移组合的mtf(m1＝0.1,m2＝0.6)。
[0034]
其中：1-第一透镜；2-第二透镜；3-可调谐相位板；4-第三透镜。
具体实施方式
[0035]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0036]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0037]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0038]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0039]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0040]
实施例
[0041]
以下仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于下述实施例，
凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
[0042]
参考说明书附图1，本发明的红外无热化波前编码成像系统包括有成像透镜、可调谐相位板3、图像探测器和处理器，所述可调谐相位板位于成像透镜和图像探测器之间，所述可调谐相位板的相位分布函数是由具有相对位移量的两个余弦函数叠加而成，其一维函数表达式为：
[0043]
f(x)＝a(x+m1)cos(b(x+m1))+a(x+m2)cos(b(x+m2))
[0044]
其中：a，b，m1，m2是相位分布函数的参数，偏移量m1和m2取值范围均为[-1,1]；x为归一化坐标，x的取值范围为[-1,1]。
[0045]
所述成像透镜包括有沿光传播方向依次排列的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜4，所述可调谐相位板3位于第二透镜2和第三透镜4之间。具体设置为将可调谐相位板3于系统的孔径光阑处即可实现图像的编码，该可调谐相位板3的在成像处由图像探测器可接收到中间的模糊图像，进而由图像处理模块进行解码，将中间的模糊图像复原滤波后就可得到清晰的最终图像。所述成像系统的工作波段的波长范围为3μm～5μm，有效焦距为100mm，f数为2，视场角为2.8
°
，系统总长为118mm。所述可调谐相位板3包括两个相同的对称可调节式相位板；所述的两个相同的对称可调节式相位板能够以孔径平面为中心进行垂直方向上的平移，包括同向平移与反向平移。调谐相位板3可以安装在压电陶瓷驱动器上，在垂直主向上做高精度的平移，复合式相位掩膜板的面型参数固定，则系统点扩散函数的中心偏移量将由两个相同组件之间的相对平移量决定。
[0046]
利用不同温度下光学传递函数mtf和点扩散函数psf等参数的一致性作为相位板的评价标准，进行优化得出最优面型系数a，b。具体为通过下述评价函数，通过fisher优化算法优化得出最优面型系数a，b；
[0047]
其中：min表示最小化操作；ψ表示离焦量的最大取值范围；otf表示光学传递函数；f表示fisher信息，用来衡量系统对离焦的敏感程度，其值越小，表示对离焦越不敏感；w
20
表示离焦量；para表示相位板的参数集合。
[0048]
该红外波前编码系统是通过相位板的使用，使系统扩大了焦深，因而可对温度变化产生的热离焦量不敏感，虽然此时mtf曲线会略微下降，但不会出现零值，不会造成图像信息的缺失，并且不同温度下的调制传递函数mtf曲线基本一致，如图3a、图3b、图3c为环境温度为-40至60℃时红外波前编码系统在各个温度的mtf曲线，可以看到对称式相位板在未加入偏移量时和普通相位板功能相同，各温度状态下的mtf具有一致性，这为后续的图像复原提供便利。如图4a、图4b、图4c所示为在温度-40至60℃时，红外波前编码系统的点扩散函数psf，其光斑形状类似直角三角形，越靠近直角点的能量集中度高。红外波前编码系统的无热化体现在点扩散函数psf在不同温度以及不同视场下形态一致。
[0049]
当环境温度扩展到更宽的温度范围-80至200℃时，原有系统参数保持不变，增加了复合相对板在垂直方向的相位偏移量，图5为含有垂直方向上相对偏移量的波前编码系统光路图，图6a、图6b、图6c为环境温度为-80～200℃时红外波前编码系统在各个温度的mtf曲线，可以看到复合相位板在加入偏移量后，系统的相位调制能力增强，体现在mtf低频区域子午和弧矢方向上的一致性更好，各温度状态下的mtf一致性更好。
[0050]
如图7a、图7b、图7c所示为在温度-80至200℃时，红外波前编码系统的点扩散函数
psf，其光斑的形状仍为直角三角形，但对比未有偏移量的编码psf，有相位板偏移量的点扩展函数的尺寸略有增加，从而导致有偏移量的mtf曲线的截至频率处的mtf值略有下降，但点扩散函数psf的一致性也有所增加。
[0051]
如图8a、图8b所示，可以看出新型余弦可调谐相位板在不同的位移组合下，不同离焦状态下mtf具有很好的一致性，且当m1和m2错开的数值越大，则mtf的一致性越好，但是带宽截止频率也会进一步变窄，调制作用越明显，使得图像复原更困难，所以相对偏移量要根据应用中离焦抑制的需要合理选择，兼顾离焦一致性和系统可复原性。
[0052]
通过实验，本实施例得出了一种基于新型余弦可调谐相位板的红外波前编码系统，实现了该系统在更广的温度范围内(-80至200℃)的无热化，使得该系统可在温度适用范围为-40至60℃和温度适用范围为-80～200℃之间灵活动态切换。且不同温度下的图像一致性良好，对于后续的图像解码奠定了很好的基础。

技术特征：
1.一种红外无热化波前编码成像系统，其特征在于，包括有成像透镜、可调谐相位板、图像探测器和处理器，所述可调谐相位板位于成像透镜和图像探测器之间，所述可调谐相位板的相位分布函数是由具有相对位移量的两个余弦函数叠加而成，其一维函数表达式为：f(x)＝a(x+m1)cos(b(x+m1))+a(x+m2)cos(b(x+m2))其中：a，b，m1，m2是相位分布函数的参数，偏移量m1和m2取值范围均为[-1,1]；x为归一化坐标，x的取值范围为[-1,1]。2.根据权利要求1所述的一种红外无热化波前编码成像系统，其特征在于，所述成像透镜包括沿光传播方向依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述可调谐相位板位于第二透镜和第三透镜之间。3.根据权利要求1所述的一种红外无热化波前编码成像系统，其特征在于，所述成像系统的工作波段的波长范围为3μm～5μm，有效焦距为100mm，f数为2，视场角为2.8
°
，系统总长为118mm。4.根据权利要求1所述的一种红外无热化波前编码成像系统，其特征在于，所述可调谐相位板包括两个相同的对称可调节式相位板；所述的两个相同的对称可调节式相位板能够以孔径平面为中心进行垂直方向上的平移，包括同向平移与反向平移。5.根据权利要求1所述的一种红外无热化波前编码成像系统，其特征在于，利用不同温度下光学传递函数mtf和点扩散函数psf等参数的一致性作为相位板的评价标准，进行优化得出最优面型系数a，b。6.根据权利要求5所述的一种红外无热化波前编码成像系统，其特征在于，通过下述评价函数，通过fisher优化算法优化得出最优面型系数a，b；其中：min表示最小化操作；ψ表示离焦量的最大取值范围；otf表示光学传递函数；f表示fisher信息，用来衡量系统对离焦的敏感程度，其值越小，表示对离焦越不敏感；w
20
表示离焦量；para表示相位板的参数集合。

技术总结
本发明涉及一种红外无热化波前编码成像系统，其特征在于，包括有成像透镜、可调谐相位板、图像探测器和处理器，所述可调谐相位板位于成像透镜和图像探测器之间，所述可调谐相位板的相位分布函数是由具有相对位移量的两个余弦函数叠加而成，其一维函数表达式为：f(x)＝a(x+m1)cos(b(x+m1))+a(x+m2)cos(b(x+m2))其中：a，b，m1，m2是相位分布函数的参数，偏移量m1和m2取值范围均为[-1,1]；x为归一化坐标，x的取值范围为[-1,1]。1,1]。1,1]。


技术研发人员：张继艳 孙丽婷 秦腾 黄章超 张晨阳
受保护的技术使用者：南光高科（厦门）激光科技有限公司
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2023/9/22