[发明专利]一种超探测器分辨率红外无热化成像系统设计方法

说明书

本发明提供的一种超探测器分辨率红外无热化成像系统设计方法，所述方法将光学设计与图像处理结合，需要在常温时先优化成像质量接近光学衍射极限，为后续图像处理提供先验信息，再在系统的一次成像光阑处添加一块相位板，使系统在‑40℃～70℃下对热离焦不敏感，并通过后期图像计算的方式进行图像恢复，重建图像在不同温度下的成像质量均可突破探测器极限分辨率。该方法不改变系统原有的光学结构，几乎不增加重量，成本低，无热化效果显著。经过图像计算后，重建图像像质突破探测器分辨率，接近光学衍射极限分辨率。

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种利用波前编码的方式，同时实现红外成像系统-40℃～70℃无热化，并且成像质量可突破探测器分辨率的系统，具体涉及一种超探测器分辨率红外无热化成像系统设计方法。

背景技术

军用红外成像系统对无热化范围要求比较严格，利用一些热性能好的红外材料进行热补偿，镜片数较多，成本高昂。另外，用于红外成像的探测器价格昂贵，分辨率由探测器像元大小决定，且分辨率越高，探测器价格越高。红外成像系统的光学分辨率可能受限于红外探测器。因此，更好地消除系统由于温度变化而导致的热离焦，并且在固有探测器条件下获得更高分辨率的图像，从而节约成本并获得更广阔的应用范围，成为了当前的研究热点之一。

传统红外系统无热化设计方式多采用机械被动式无热化设计与光学被动式无热化设计。机械无热化设计成本高，结构复杂，系统体积大。无热化效果有限。而光学被动式无热化设计通过求解光焦度、消色差和消热差方程组。在部分情况下得不到合理的解，无法获取系统设计的参数。

图像超分辨率处理技术通常可以分为两大类，基于多帧图像处理(序列图像重建)和单帧图像重建(静态图像插值法)方法。多帧图像处理是由多帧低分辨率图像来重建高分辨率理想图像，但对同一场景图像要求比较严格，低分辨率图像需要有亚像素的偏移，应用比较受限。单帧图像重建技术是利用一帧探测器采集到的低分辨率图像的信息，结合图像的先验知识，恢复图像的高频信息。通过重建算法提高图像分辨率，应用范围广，成像分辨率高。

发明内容

为了解决上述问题，本申请的目的在于提供一种超探测器分辨率红外无热化成像系统设计方法，利用波前编码技术，同时实现红外成像系统-40℃～70℃无热化，并且成像质量可突破探测器分辨率极限。该方法不改变系统原有的光学结构，几乎不增加重量，成本低，无热化效果显著。经过图像计算后，重建图像像质突破探测器分辨率，接近光学衍射极限分辨率。

为实现本发明的目的，本发明提供的一种超探测器分辨率红外无热化成像系统设计方法，所述方法将光学设计与图像处理结合，需要在常温时先优化成像质量接近光学衍射极限，为后续图像处理提供先验信息，再在系统的一次成像光阑处添加一块相位板，使系统在-40℃～70℃下对热离焦不敏感，并通过后期图像计算的方式进行图像恢复，重建图像在不同温度下的成像质量均可突破探测器极限分辨率。

其中，所述红外无热化成像系统整体设计为二次成像结构，相位板放置在系统一次成像冷阑共轭处，同样起到光阑作用。

其中，冷阑面设计为光阑面，保证冷阑效率100％。

其中，所述红外无热化成像系统的接收部分由探测器及图像复原单元组成，探测器的输出信号经过图像复原单元，可获得不同温度下超探测器分辨率图像。

其中，添加相位板后，在-40℃～70℃温度范围内，系统成像调制传递函数MTF和点扩散函数PSF一致。

其中，添加相位板后，光学传递函数幅值降低，点扩散函数支持域增加。由于点扩散函数RMS值的显著增加，可以通过计算成像方式，获得更小的像元尺寸，便于恢复更高分辨率的图像。

其中，所述相位板为一种由二次、三次和五次幂函数叠加而成的高阶相位板，该相位板的相位分布函数表达式为：