波前编码应用于红外光学系统无热化的研究
毕业设计(论文)开题报告_模板重点讲义资料
本科毕业设计（论文）
开题报告
题目_可变焦波前编码成像方法研究
——波前编码技术在红外镜头的应用
专业___测控技术与仪器_____
姓名______马飞龙_____
学号____1120122865_______
班级____04111202_______
指导教师_____董立泉______
学院____光电学院_____
2016年 3 月 27 日
一、题目背景、研究现状和研究意义（选题背景、国内外研究现状、研究意
其中，φ为光学透镜的光焦度，它等于焦距的倒数，T 为温度，
图15 三次相位面型与对应的菲涅尔面型
二、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题（研究目标、主要内容及关键问题。
）
2.原设计为5片透镜，1片保护窗口，其中包含两个非球面。
要求采用波前编码技术设
三、研究方案（拟采用的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析）
四、研究工作进度安排
五、参考文献
六、评审意见。
红外消热差系统概述
红外消热差系统概述摘要分析了温度改变对红外光学材料、镜筒材料的影响，温度效应对光学元件的曲率半径、中心厚度的影响。
给出了红外消热差光学系统同时满足消热差和消色差的条件，并总结了现今红外消热差的几个主要方式。
通过对红外消热差系统的国内外发展现状进行调研，总结了国内外红外消热差光学系统的研究情况。
关键词 温度影响 消热差系统 发展现状由于红外系统使用环境的不确定性，红外光学系统需要在很大的温度范围内保持稳定的性能。
红外光学系统的焦距通常会由于温度的改变而改变，从而降低了系统的成像质量，因此需要采用一些技术来消除温度的影响，于是出现了红外消热差系统。
早至1943年，国外就有人提出了光学系统的热补偿理论，到目前为止，国内外许多学者都在这方面进行了研究，红外光学系统的设计及基础理论得到进一步完善。
本文将对国内外学者对红外消热差系统的研究成果进行总结。
一、红外消热差系统需满足条件为了消除或减少温度效应对成像质量的影响，在设计过程中需要通过一定的补偿技术，使红外光学系统在一个比较大的温度范围内保持焦距不变或者变化很小，从而保持良好的成像质量，这称为红外消热差设计。
若红外光学系统要同时满足消热差和消色差，需满足以下方程：ϕ=∑ϕi j i=1 (6)∑(T i ϕi )j i=1=−αH ϕ (7)∑(ϕi υi )=0j i=1 (8) 其中，ν是阿贝数，αH 为仪器壳体的线膨胀系数，Φ为全系统的光焦度。
(6)式为构成系统的各单透镜的光焦度与总光焦度关系；(7)式为补偿像面离焦需满足的条件，称为热补偿条件；(8)式为消轴向色差条件。
折射元件的阿贝数为，νr =N M −1N S −N L (9) 其中N M 为物质对中波的折射率，N L 为物质对长波的折射率，N S 为物质对短波的折射率。
衍射元件的阿贝数为，νd =λMλS −λL (10)其中λ为波长。
(6)~(8)的根为1f 2=ϕ2=1ν1⁄1ν3−1ν1⁄⁄−T 1+αH T 3−T 11ν1⁄−1ν2⁄1ν3−1ν1⁄⁄−T 1−T 2T 3−T 1ϕ (11) 1f 3=ϕ3=1ν1⁄−1ν2⁄1ν3−1ν1⁄⁄ϕ2−1ν1⁄1ν3−1ν1⁄⁄ϕ (12) 1f 1=ϕ1=ϕ−ϕ2−ϕ3 (13)对折射元件，T r =dN dt⁄(N−1)−αL ，对衍射元件，T d =2αL 。
无热化设计
• 在此界面中可输入 温度、压强、材料 膨胀系数等参数， 而在Gradients选 项卡中可输入径向 温度梯度分布等条 件。
3、利用codev对光学系统温度分析
• CODEV中自带温度范围在20℃-40 ℃的常用 光学玻璃的dn/dt数据，因此在分析此温度范 围时直接修改温度值即可（注意，要把所有材 料都改成SCHOTT厂的玻璃，因为SCHOTT玻 璃数据相对更完整），若超出此温度范围，或 没有相应玻璃的参数时会报错，此时应手动输 入相应参数。
208.33 MM
Scale: 0.12
21-Oct-11
3、利用codev对光学系统温度分析
19:25:13
其在常温环境下的传函曲线如下：
New lens from CVMACR O:cvnewlens.seq
DIFFRACTION MTF
21-Oct-11
1.0
0.9
0.8
0.7
M
O 0.6 D
exp GERMLW 58 dn GERMLW 400 400 400 exp SILICN 32 dn SILICN 142 142 142 go
4、无热化设计
把编好的宏放在和镜头同一目录下，运行可得到如下 的文本。
4、无热化设计
同时系统变为多重结构。
系统自动选择了 三个温度，光学系统在 这三个温度下成像都较 好说明系统在这个温度 范围内成像都好。
典型的无热化设计方法主要有电子主动式、 机械被动式和光学被动式三种。ห้องสมุดไป่ตู้
1、无热化简介
无热系统是一种没有热差的系统，也就是说 是一种使光学热差和机械热差互相补偿的系统。 而光学热差值又可通过选取不同的透镜组合加
基于波前编码技术红外光学系统无热化研究
Ｖ０ ．５ ＮＯ． １３ ２
Ｊ ｎ２ ２ ｕ ．０１
基于波前编码技术红外 光学 系统无热化研究
吕天 宇 ，杨 飞 ，明名
（ 中国科学院
摘
长春光 学精 密机械与物理研究所 ，长春
１０ ３ ） ３ ０ ３
要 ：波 前 编 码技 术 是 将 光 学成 像 与 数 字 图像 处理 技 术相 结合 ，在 系统 的 光 瞳 处 通 过 添 加 特 殊 设 计 的 相 位 板 ，对 入 射 光
波波前进行重新调制 ，再 经过解码得到 清晰的图像 ，使 系统对 离焦不敏感 ，与红外无热化的理念相 同。文中比较 了原光 学 系统和采 用波前编码 系统在 不 同环境 温度下的调制传递 函数 （ ＭＴＦ） ，使 用Ｍａｌ 模拟 中间光 学部分成像并滤 波。结果表 ｔｂ ａ 明 ：将波前编码技 术应 用到红外光 学系统 当中，可以使 系统对由环境 温度 变化 引起的热 离焦不敏 感，达到无热化的 目的。 关键 词 ：波前编码 ；红 外光 学系统 ；无热化设计 ；图像恢复 中图分类号 ：ＴＨ７ ４ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１７ － ８ ０ （０ ２ ２ ０ ２－ ３ ６ ２ ９ ７ ２ １ ）０ － ０ ６ ０
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈｅ ｍ ａ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｆａ ｅ ｉ ａｌ ｙ ｔｍ ｓ ａ ｃ ｎ Ａｔ ｒ ｌ ｔｏ ｆ ｎ ｒ ｒ ｄ Ｏｐｔ ｓｅ ｚ Ｉ ｃ Ｓ Ｂａ ｅ ｎ Ｗ ａ ｅ ｒ ｎ ｄ ｎｇ ｓ ｄ ｏ ｖ ｆ ｏ ｔＣｏ ｉ
ＬＶ ａ ｙ ， ＹＡＮＧ ｉ Ｍ Ｉ Ｔｉｎ ｕ Ｆｅ ， ＮＧ ｉ ｇ Ｍ ｎ （ ｈ ｎ ｃ ｕ ｓｉ ｔ ｆ ｐ ｉ ，Ｆ ｎ ｅｈ ｎ ｓ ｄ ｈ ｓ ｓ ｈ ｈｎ ｓ ａ ｅ ｆ ｃ ｎ ｅ ，Ｃｈｎ ｃ ｕ ３ ０ ３ Ｃ ａ ｇ ｈ ｎＩ ｔｕ ｅ ｔ ｓ ｉｅ ｃ ａ ｉ ｙ ｉ ，ｔｅ ｉｅｅＡｃｄ ｍｙｏ ｉ ｃ ｓ ｎ ｔ ｏＯ ｃ Ｍ ｃａ Ｐ ｎ ｃ Ｃ Ｓ ｅ ａ ｇ ｈ ｎ１ ０ ３ ）
应用波前编码技术的离轴三反系统的设计及其分析
H(u)≈
π exp u u j αu u 12 αu u 4
1/2
3
TMA 遥 感 成 像 系 统 ， 其 基 本 参 数 如 下 ： 焦 距 为 1 650 mm； F# 为 6；视场为 1.5°×5°；工作波长为 0.5 μm。
主镜、三镜为双曲面 ，次 镜 为 椭 球 面 。 如 图 1 所 示 ， 该 系 统 各 视 场 的 MTF 虽 然 未 达 到 衍 射 极 限 ， 但 对 下一步的设计工作没有影响。
收 稿 日 期 ： 2008-04-04 ；
修 订 日 期 ： 2008-05-20
基 金 项 目 ： 国 家 杰 出 青 年 基 金 资 助 项 目 （ 69925512 ） 作 者 简 介 ： 闫 锋 （ 1981 － ） ， 男 ， 吉 林 长 春 人 ， 博 士 生 , 从 事 波 前 编 码 、 光 学 制 造 、 光 学 检 测 方 面 的 研 究 。 Email: greatyf@ 导 师 简 介 ： 张 学 军 （ 1968 － ） ， 男 ， 黑 龙 江 齐 齐 哈 尔 人 ， 所 长 助 理 ， 研 究 员 ， 博 士 生 导 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 先 进 光 学 加 工 、 检 测 技 术 、 空 间 光 学 系 统 制 造 方 面 的 研 究 。 Email:zxj@
此 时 H ( u ) 中 不 再 含 有 离 焦 量 W20 ， 系 统 对 离 焦 误 差变得 极不敏 感 ，相 当 于 焦 深 被 扩 大 了 。 将 该 结 果 推 广到二维情况：对于实际光学系统，在光瞳函 数 上 引 入 形 如 α ( x3 + y3 ) 的 相 位 分 布 就 可 以 实 现 对 系 统 焦 深 的 扩展。 虽然引入的相位分布改变了原有空间信息的排 列 （ 可 以 理 解 为 对 空 间 信 息 的 “ 编 码 ”）， 使 得 此 时 所 得 的图像是模糊 的 ，然 而 在 理 想 像 面 两 侧 几 倍 焦 深 范 围 内该图像对离焦和视场变化极不敏感。 在图像处理部 分，针对图像对离焦和视场极不敏感的特性 ，只 要 采 用一个简单的滤波器，就可以实现对中间图像 的 “解 码 ”， 进 而 重 构 清 晰 、 锐 利 的 最 终 图 像 。 虽 然 在 滤 波 过 程中会放大一 些 潜 在 噪 声 ，但 是 只 要 进 行 合 适 的 去 噪 处理， 最后的噪声水平仍可以控制在允许范围之内， 因 此 ，波 前 编 码 技 术 也 可 以 看 作 是 可 以 接 受 的 噪 声 放 大 与 扩 大 系 统 像 差 容 限 的 一 种 交 换 （ trade 蛳 off ）。 这 种 技术并不 需要知 道 离 焦 量 的 确 切 数 值 ，对 于 空 间 光 学 系统的离焦误差控制是十分有益的。
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(英文)
第 ３ 卷 第 ３期 １ ２１ ０ ２年 ６月 文 章 编 号 ：Ｏ １— ０４ ２ １ ） ３— ２０— ６ ｌＯ ９ １ （０ ２ ０ ０ １ ０
红 外 与 毫 米 波 学 报
Ｊ Ｉ ｆａ ｅ ｉｌ ． Ｗ ａ ｅ ． ｎ ｒ ｄ Ｍ ｌｍ ｒ ｉ ｖｓ
Ｖｏ１ ３１．Ｎ ｏ． ． ３
Ｊ ｎｅ， ０１ ｕ ２ ２
Ｄ Ｉ１ ．７ ４ Ｓ ．．Ｏ Ｏ ２ １ ．０ １ Ｏ ：０ ３ ２／ Ｐ Ｊ１ ｌ ．０ ２ ０ ２０
Ｔｈ ｍａｌｅ ｅ ｔｏｎ ｏｄｄ－ ｙ ｍｅ ｒｃ ｐｈａ ｅ ｍａ ｎ ｗａ ｅ ｒ ｅｒ ｆ ｃ － ｍ ｓ ｔ ｉ ｓ ｓｋ ｉ ｖ ｆｏｎｔｃ ｅｄ ・ ｏｄ －
（ ． ｅｅｒ ｅ ｔ ｒＳ ａｅＯ ｔ ｓ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｈ ｂｎＩｓｔｔ ｏ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｈ ｒｉ １０ ０ ， ｈｎ ； １ Ｒ ｓａｃ Ｃ ｎｅ ｆ ｐ ｃ ｐｉ ｇｎｅ ｎ ， ａ ｉ ｔｕｅ ｆ ｃ ｎ ｌｇ ， ａｂｎ ５０ １ Ｃ ｉａ ｈ ｒｏ ｃＥ ｉ ｒ ｎｉ Ｔ ２ Ｐ ｙｉ ｌ ｏｌｇ ， ｒｉ ｎｉｅｒ ｇＵｎｖｒ ｔ， ｒｉ ５ ０ １ Ｃ ｉａ ． ｈ ｓ ａ Ｃ ｌ ｅ ＨａｂｎＥ ｇｎｅ ｎ ｉｅｓｙ Ｈａ ｎ１０ ０ ， ｈｎ ） ｃ ｅ ｉ ｉ ｂ
Ａｂｓ ｒ ｔ Ｔｈ ｒ ａ ｆｅ ｔｏ ｐ ｓ ｍ ａ ｋｓ ｎ ｗ ａ ｆｏ ｔｃ ｄｅ ｔ ｒ ａｉｅ ｉ ａ ｉ ｇ ｙ ｔｍ ｓ ｉ ｎ ｌ ｚ ｄ． Ｓｅ ｅ ａ ｅｌ ｔ ａｃ ： ｅ ｍ ｌｅ ｆ ｃ ｎ ｈａ ｅ ｓ ｉ ｖｅｒ ｎ — ｏ ｄ ａｈｅ ｍ ｌｚ ｄ ｍ ｇ ｎ ｓ ｓｅ ｓ ａ ａ ｙ ｅ ｖ ｒ ｌｗ ｌ— ｋ ｗ ｎ ｏｄ ｓ ｍ ｍ ｅ ｒｃ ｐ ｓ ｕｎ ｔｏ ｔｄ ｆｅ ｅ ｅ ｐｅ ａｕ ｅ ａ ｅ ｄ ｒｖｅ ｎｏ ｄ—ｙ ｔ ｈａ ｅ ｆ ｃ ｉｎｓ ａ ｉｆｒ ｎｔｔｍ ｉ ｒ ｔｒ ｒ ｅ ｉ ｄ． Ｔｈ ｒ ｅ ｔｅ ｆ ｐｈ ｓ ｕ ｔｏ ｓ ｕ ｅ ｎ ｅ ｐ ｏｐ ｒｉ ｓ ｏ ａ ｅ ｆ ｎｃｉ ｎ ｓ ｆ ｒ ｇ ｉ ｆｏ ｈ ｒ ａ ｆ ｃ ｒ ｒ ｓ ｎｔｄ． Ｔ ｅ ｐｅｆ ｍ ａ ｅ ｆ ｔ ｈａ ｅ ｆ ｎｃｉ ｓ ａ ｅ ｅ ａｕａｅ ｔ ａ ｔ ｏｕ ｏｎｓｄｅ ｎｇ ｒｍ ｔｅ ｍ ｌｅｆｅ ｔａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｅ ｈ ｒｏｒ ｎｃ ｓ ｏ ｈｅ ｐ ｓ ｕ ｔｏｎ ｖ ｌ ｔ ｄ ｗｉ ｒ ｈ ｎｄ ｗｉｈ ｔｃ ｉ ｒ ｉ
基于改善红外光学系统离焦变量的三次位相板波前编码技术浅析
基于改善红外光学系统离焦变量的三次位相板波前编码技术浅析作者：卢鑫程伟宁范哲源来源：《科技风》2017年第13期摘要：在红外光学系统中，为增大光学系统焦深，通常需要减小系统光圈，该方法会降低系统角分辨率和信噪比等参数，使光学系统最终难以获取高频信息图像。
波前编码技术结合了光学成像和图像处理算法，实现了大焦深的设计，使系统在一定范围内的离焦均具有较高的MTF，最终实现了光学系统焦深的拓展，提高了光学系统的应用范围和可靠性。
关键词：离焦变量；传递函数；三次相位板；波前编码根据光学成像系统理论，物方视场在像方视场除了共轭面以外，其他点在共轭像面上只能是一定大小的弥散斑，对于一定分辨率的接收器，只要该弥散斑小于最小分辨率，仍然可以认为是一个点。
对于确定光瞳的光学系统，物方一定范围内的物体能够在对准平面成清晰实像，该范围是系统的景深，与之对应的像方空间是焦深。
对于大焦深的光学成像系统，其优势在与减少了物距变化对像方空间变化所引起的成像模糊，使近远景均能清晰成像，获取更多的物方信息。
若想提高光学系统焦深，有以下常见方法：第一种是减小系统光圈，增大F数；第二种是通过多幅离焦图像合成；另外一种是在孔径光栏处增加不同的振幅位相板进行调制，对振幅进行衰减。
这几种方法均具有一定缺点，或降低系统分辨率，或景深拓展程度不足。
1 波前编码技术理论及应用波前编码技术最早由美国科罗拉多大学的两位研究人员Dowski和Cathey共同提出，其主要的目的是使光学系统在不同焦深下获取更完整的光学信息量，该技术的方法是通过在光学系统孔径光栏或入瞳处增加一块相位调制板，使光学系统的点扩散函数PSF或者调制传递函数MTF对离焦不敏感，同时能够抑制系统的初级像差。
波前编码技术的特点是结合了光学成像技术和数字图像处理技术。
首先，波前编码系统通过在光瞳处加入相位调制板进行调制，使目标在焦平面成一个模糊的中间像。
其次，通过对中间模糊像的滤波处理，得到清晰的图像，实现焦深的拓展。
中波红外光学系统无热化设计和冷反射抑制
中波红外光学系统无热化设计和冷反射抑制谢洪波;孟庆斌;杨磊;江敏;方春伦;任德伦【摘要】为了得到性能好、稳定性高,能够满足民用、军事等领域应用的中波红外成像光学系统,采用光学被动式的无热化技术,在常温下像质良好的初始结构基础上,通过对不同红外材料组合,实现系统的无热化设计.利用等效温差(NITD)计算冷反射贡献量,对冷反射贡献量较大表面的曲率和光焦度进行优化.设计结果表明:在-40℃～60℃温度范围内,光学系统的MTF在30 lp/mm处均大于0.5;离焦量在一倍焦深以内,点列图(RMS)直径小于像元尺寸;冷反射残存量最大的表面NITD值降低40％.应用该方法可以很好地实现红外成像光学系统的无热化设计,对冷反射的抑制效果明显.%Infrared optical system is the core component of infrared imaging devices.Athermalization is widely adopted in mid-infrared optical design in order to improve performance and stability of infrared imaging optical systems,and meet performance requirements of civil and military applications.In this paper,passive athermalization design of a non-thermal mid-infrared imaging optical system is realized through combining different infrared materials.Contribution of narcissus is calculated by NITD method,curvature and optical power of surface with large contribution to narcissus are optimized.Results show that MTF of optical system is greater than 0.5 at 30 lp/mm in temperature range of-40 ℃ ～60 ℃,defocus distance is less than depth of light,RMS diameter is less than pixelsize.Maximum NITD value of narcissus is reduced by 40％,which is smaller than minimum resolution temperature difference of the system.Application of this method can be very good to achieve athermalization design ofinfrared imaging optics system,and suppression effect of narcissus is obvious.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】6页(P352-357)【关键词】红外光学设计;热效应;无热化设计;冷反射【作者】谢洪波;孟庆斌;杨磊;江敏;方春伦;任德伦【作者单位】天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TN202;TN216被动式红外探测系统具有环境适应性好、隐蔽性高、抗干扰能力强等优点[1]，广泛应用于军事、医疗、安防、电力、遥感以及工业等各个领域中，随着红外光学系统的应用越来越多，对红外成像系统的设计也提出了更高的要求。
波前编码应用于红外光学系统无热化的研究
ｉｔｒ ｄ ａｅ ｍ ａ ｅ ｎｅ ｍｅ ｉｔ ｉ ｇ ｗｈ ｃ ｉ ａ ｉｈ ｓ ｍｂｉｕ ｕ ｃ ｎ ｅ ｕ ｎｅ ｉｔ ａ ｈ ｒ ｉ ｇ ｂ ｄ ｇｔｌ ｉｔｒｎ ． Ｉ ｔ ｉ ｇ ｏ ｓ ａ ｂ ｔｒ ｄ ｎｏ ｓ ａ ｐ ｍａ ｅ ｙ ｉｉａ ｆｌ ｉ ｇ ｎ ｈ ｓ ｅ
中图分 类号 ： Ｎ Ｔ — ２ ６２ １） １ ０ ８ — ４ ０ ７ ２ ７ （０ １０ — ０ ３ ０
Ｗ ａ ｅ ｒ ｎ ｏ ｎ ｏ ｔ ｒ ａ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｎ ｒ ｒ ｄ ｖ ｆ ｏ ｔ ｃ ｄｉ ｇ ｆ ｒ ａ ｈｅ ｍ ｌ ｔｏ ｆｉ ｆ ａ ｅ ｚ ｉ ａ ｉ ｙ ｔ ｍ ｍ ｇ ｎｇ ｓ ｓｅ
ｄ ｓｇ ｅ ｅ ｉｎ ｄ．Ａ ｃ ｂ ｃ ｐ ａ ｅ ｕ ｉ ｈ ｓ ｍ ａ ｋ ｗａ ｓ ｄ，ａ ｄ ｈｅ ｓ ｓｕｅ ｎ ｔ Ｍ ＴＦ ｕ ｖ ｗａ ｎ ａｉｂｌ ａ ａ ａ ｃ ｒ ｅ ｓ ｉ ｖ ｒａ ｅ ｓ ｎ ｍｂｉｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｅ ｔｔ ｍｐ ｒ ｔｒ
ｗ ｖ ｌ ｇ ａｙｎ ｒｍ ． Ｉ ｔ １ ． 山 ｎ ｎ ｏ ｅａｎ ｉａｃ ｒｍ ｔ ｂｅｔａ ２ ｋ ｗ ｓ ａｅ ｎｔ ｖ ｒｉｇ ｆ ｅ ｈ ｏ ７５ ｘ ｏ ３５ ｎ ａｄ ａ ｐｒｔ ｇ ｄｓ ｎ ｅｆ ｅ ｏｊｃ ｓ ｍ ａ ｍ ｉ ｔ ｏ ｈ
冯俐铜 ， 军合 ， 孟 顿 雄 ， 陶 玉
非制冷中波红外光学系统精简无热化设计
非制冷中波红外光学系统精简无热化设计陈炳旭;牟达;林鹤;杨旭;高佳旭【摘要】红外光学系统相比于可见光光学系统,其成像质量受温度波动影响很大.基于光学被动式无热化原理,分析红外系统各部分光学参量受温度变化的影响因子,设计了一个工作波段3～5μm,焦距120mm,F#=2的红外光学系统,选用分辨率为384pixel×288pixel、像元大小为25μm的非制冷型红外探测器.该系统采用四片式的结构形式且全部为球面光学元件,采用硅和锗两种常见的中波红外材料满足了消热差和消色差的要求,故具有较高的加工可行性和较低的生产成本,在工作温度范围-40℃～60℃之间都能保持优良像质,并且满足非制冷型中波红外系统的使用需求.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)004【总页数】4页(P41-44)【关键词】光学设计;中波红外光学;非制冷;无热化【作者】陈炳旭;牟达;林鹤;杨旭;高佳旭【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室,长春 130022;;;【正文语种】中文【中图分类】TN216随着红外技术的发展，越来越多的红外热成像系统应用到军事、航天、航空、检测、监控等各个领域。
对比制冷型热成像系统来说，非制冷型系统的使用寿命、体积、价格和功耗有很大优势，使用范围也更加广泛。
但是红外材料的折射率、透镜的曲率半径与中心厚度、透镜之间空气间隔等系统的一些参数会在不同的温度下发生相应改变，导致系统的最佳像面发生偏离，成像质量和对比度下降。
采用无热化原理设计光学系统可以消除温度变化的影响，可以使系统工作性能和成像质量在一个较大的温度范围内保持良好的状态[1]。
基于非制冷红外探测器，苏州大学的刘琳等设计了用于对地观测的大相对孔径中波红外光学系统。
为了适应空间环境温度变化，其系统采用了结构简单、可靠性好的被动消热差光学系统以及折衍混合光学元件，以达到减轻系统体积和重量的目的。
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第40卷第1期红外与激光工程2011年1月Vol.40No.1Infrared and Laser Engineering Jan.2011波前编码应用于红外光学系统无热化的研究冯俐铜，孟军合，顿雄，陶玉（天津津航技术物理研究所，天津300192）摘要：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f′为100mm，F数为1.2，工作波段为7.5～13.5μm，工作距离为2km的非制冷型红外光学系统，在光阑处放置一块三次位相板，通过CODEV模拟光学系统在-40～60℃温度范围内的性能变化，得到的波前编码光学系统的MTF维持不变。
使用MATLAB模拟波前编码系统的中间成像及其滤波结果，结果表明：波前编码技术可使红外光学系统在大温差环境下获得清晰图像。
关键词：波前编码；红外光学系统；无热化；数字滤波中图分类号：TN2文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)01-0083-04Wavefront coding for athermalization of infraredimaging systemFeng Litong,Meng Junhe,Dun Xiong,Tao Yu(Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin300192,China)Abstract:By inserting a phase mask close to the pupil plane of an optical system so as to modulate the wavefront,the optical system is insensible to defocus aberrations and the depth of field is extended consequently which can be applied in athermalization of infrared imaging systems.Moreover,the intermediate image which is ambiguous can be turned into a sharp image by digital filtering.In this paper,an uncooled infrared optical system with effective focal as100mm,F number as1.2,operating wavelength varying from7.5μm to13.5μm and an operating distance from the object as2km was designed.A cubic phase mask was used,and the MTF curve was invariable as an ambient temperature varying from-40℃to60℃in the simulation with CODEV.The imaging process of a wavefront coding system and the output of digital filtering were simulated with MATLAB.The results show that the sharp images can be obtained within a large range of varying temperature.Key words:wavefront coding;infrared optical system;athernalization;digital filtering收稿日期：2010-04-11；修订日期：2010-05-10作者简介：冯俐铜(1987-)，男，硕士生，主要从事光学系统设计方面的研究。
Email:fenglitongae86@导师简介：孟军合(1964-)，男，研究员，主要从事光学系统的总体研究。
Email:mengjunhe@红外与激光工程第40卷0引言红外光学材料的折射率温度变化系数d n/d t比可见光材料大一个数量级以上，所以透射式红外光学系统的像面热漂移比后者大同样的数量级。
要保证红外光学系统在较宽的温度范围内正常工作,就必须消除温度对红外光学系统的影响[1]。
现阶段应用较为广泛的无热化技术分为光学被动式无热化技术和主动式无热化技术两种，都需要较多的红外光学材料、复杂的机电装置，加工成本较高，因此，不适用于低端的红外光学系统，如森林防火预警和社区红外监控装置等。
波前编码系统中的位相板具有波前调制功能，可以使光学系统的点扩散函数在很大焦深范围内保持一致，在该焦深范围内，光学系统所成的模糊的中间图像经过数字滤波处理后成清晰图像，即波前编码系统具有焦深延拓功能，该特点使其在红外光学系统无热化中具有很好的应用前景。
波前编码系统的工作原理如图1所示[2]。
图1波前编码系统原理图Fig.1Principle of wavefront coding imaging system相比光学被动式无热化中需要增加数片不同材料的光学元件、机电主动式无热化中需要增加复杂的机械调焦机构和测温反馈系统来实现无热化[3]，波前编码系统中仅需一块位相板就可以实现无热化，并且位相板的材料可选用相对低价的锗，从而可以节省很多系统制造成本。
因此，在低端红外光学系统的无热化中，波前编码技术具有很好的应用前景[4]。
1应用原理及实现利用稳相法和模糊函数理论可以推导出三次位相板形式对离焦不敏感，所以系统中波前调制功能选用三次位相板实现，该位相板形式在x，y方向可分离，其位相空间函数的归一化表达式为[5]：P(x，y)=exp[iα(x3+y3)]x＜1,y＜1(1)式中：α为系数，表示位相板调制波前的能力。
红外光学系统的温度变化会引起的焦面的漂移，从而导致的波像差W20可表示成：W20=△f12Fαα(2)式中：△f为焦面漂移；F为光学系统的F数。
波前编码系统光学传递函数(OTF)近似为[6]：H(u,W20)≈π12αu姨exp jαu34·exp-j kW203ααα姨姨,u≠0(3)式中：u为空间频率。
由公式(3)可知：波前编码系统的近似MTF与W20无关，不同温度下，不同离焦位置的MTF是一样的，即波前编码系统能够实现无热化，并且使用同一个点扩散函数就能对不同温度下的中间模糊图像进行滤波，最终获得清晰图像。
文中设计的红外光学系统的有效焦距f′为10mm，F数为1.2，工作波段为7.5～13.5μm，最大半视场角为4.5°，工作距离为2km，系统采用非制冷探测器，截止频率为14lp/mm。
三次位相板放置在孔径光阑处，即光学系统第一面的位置，全部光学元件均采用锗材料，光学系统的结构材料为铝。
波前编码系统的光学系统结构如图2所示。
图2波前编码光学系统结构图Fig.2Structure of wavefront coding optical system 对三次位相板做无热化分析，首先需要推导其表面方程系数β随温度的变化情况。
三次位相板的表面方程为：Z=β(x3+y3)(4)设γ=1+X g d t，其中X g为红外光学材料的热膨胀系数。
当温度从t变化到t′=t+d t时，矢高Z和坐标x,y 均随温度线性变化[7]，即Z→Z′=γZ，h→h′=γh，代入公式(4)得：84第1期γZ=β′γ3(x3+y3)(5)公式(5)两边同除以γ，得：Z=β′γ2(x3+y3)(6)假设温度变化过程中三次位相板表面方程形式不变，公式(4)和公式(6)的形式一致，得：β′=β/γ2(7)公式(7)即为系数β随温度的变化方程。
在CODEV中，使用变焦功能对光学系统进行无热化分析，未加位相板的红外光学系统在20℃，60℃，-40℃状态下的MTF分别如图3(a)~(c)所示，可知在极端温度下该光学系统不能正常工作。
图3未加位相板红外光学系统在不同温度下的MTF曲线Fig.3MTF curves of infrared optical system at differenttemperatures without phase mask波前编码光学系统在20℃，60℃，-40℃状态下的MTF分别如图4(a)~(c)所示，MTF曲线在-40～60℃温度范围内保持不变，很好地实现了该温度范围内的红外光学系统无热化，尽管MTF不高，但是在探测器截止频率内MTF没有零点，保证了图像信息无丢失，再经过对中间模糊图像的滤波恢复即可获得清晰的最终图像。
图4波前编码系统在不同温度下的MTF曲线Fig.4MTF curves of wavefront coding system at differenttemperatures2模拟成像及滤波波前编码系统经过CODEV分析，可以得到精确的光学系统点扩散函数。
依据光学系统成像原理，利用该点扩散函数，通过MATLAB模拟波前编码系统的中间成像及滤波结果。
选择MATLAB中由checkerboard命令生成的正方形测试板作为成像目标，如图5所示。
将由CodeV 分析得出的在20℃，60℃，-40℃3个温度下的点扩散函数导入MATLAB中，分别和测试板图像做卷积运算，运算结果即为20℃，60℃，-40℃状态下，波前编码系统的模糊的中间图像，如图6所示。
中间图像像质很差，但在各个温度点下保持一致。
将20℃下的点扩散函数作为滤波函数，分别对3幅中间图像进行维纳滤波，处理结果如图7所示。
此红外光学系统在未加位相板的情况下，20℃时在探测器截止频率内，衍射极限状态下的像质如图8所示。
对比图7和图8的冯俐铜等：波前编码应用于红外光学系统无热化的研究85红外与激光工程第40卷图像像质，可知：相对于未加位相板的原始光学系统，波前编码系统可以获得分辨率良好的图像[8]。
图5正方形测试板Fig.5Cubic checkerboard图6不同温度下的中间图像Fig.6Intermediate images at different temperatures图7不同温度下的最终图像Fig.7Ultimate images at different temperatures图8红外光学系统衍射极限状态下像质Fig.8Imaging quality of infrared optical system in diffraction limit 3结论文中验证了在-40～60℃温度范围内，波前编码技术应用于红外光学系统无热化的可行性，通过对中间模糊图像的滤波处理表明：波前编码系统可以获得像质良好的图像。