一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)及成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光軸方向依次設(shè)置的前置光學(xué)系統(tǒng)、濾光系統(tǒng)、微透鏡陣列、后組光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器焦平面陣列，微透鏡陣列平行設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)的后焦面上，濾光系統(tǒng)為一片設(shè)置有多個(gè)陰影區(qū)域和透明區(qū)域的平板透鏡，所述的微透鏡陣列與濾光系統(tǒng)平行，由多個(gè)拼接在一起的微透鏡組成，所述的探測(cè)器焦平面陣列由多個(gè)拼接在一起的像元組成，像元和微透鏡以及透明區(qū)域一一對(duì)應(yīng)，前置光學(xué)系統(tǒng)和濾光系統(tǒng)之間還設(shè)置有調(diào)制系統(tǒng)；還公開(kāi)了其成像方法；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，在不需要運(yùn)動(dòng)部件的情況下可以實(shí)現(xiàn)紅外高分辨率成像，可以實(shí)現(xiàn)超大的孔徑角；特別適合于紅外波段，能有效解決紅外成像系統(tǒng)中分辨率低下的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)及成像方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于紅外光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]許多應(yīng)用中都需要采集高分辨率的圖像，從而可以獲得目標(biāo)場(chǎng)景更多的細(xì)節(jié)信息。為了獲得更多的目標(biāo)信息，通常的解決方案是采用焦距更長(zhǎng)的光學(xué)系統(tǒng)。然而，在一定條件下，隨著焦距的變長(zhǎng)光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)也會(huì)降低;另一方面，如果采用一個(gè)視場(chǎng)角非常大的光學(xué)系統(tǒng)則必然會(huì)造成目標(biāo)的分辨率降低，這種情況在紅外成像系統(tǒng)中更加突出。目前紅外探測(cè)器的分辨率普遍都比可見(jiàn)光探測(cè)器的分辨率低很多，紅外探測(cè)器的像元尺寸目前通常在ΙΟμπι以上，而可見(jiàn)光的像元尺寸可以達(dá)到2μπι，相對(duì)于可見(jiàn)光成像，紅外成像在保證較大視場(chǎng)角的情況下獲得高分辨率圖像會(huì)更加困難。例如，在視場(chǎng)角為30度情況下，要實(shí)現(xiàn)
0.2mrad的角分辨率則需要的探測(cè)器分辨率大約為2620*2620，這種分辨率的可見(jiàn)光探測(cè)器非常常見(jiàn)，但是對(duì)于紅外探測(cè)器特別是長(zhǎng)波紅外探測(cè)器來(lái)說(shuō)目前還很難穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的之一在于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，利用多次采樣技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高分辨率成像和超大視場(chǎng)的超分辨率成像，有效解決紅外成像系統(tǒng)的低分辨率缺點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光軸方向依次設(shè)置的前置光學(xué)系統(tǒng)、濾光系統(tǒng)、微透鏡陣列、后組光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器焦平面陣列，所述的微透鏡陣列平行設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)的后焦面上，所述的濾光系統(tǒng)為一片設(shè)置有多個(gè)陰影區(qū)域和透明區(qū)域的平板透鏡，所述的微透鏡陣列與濾光系統(tǒng)平行，所述的微透鏡陣列由多個(gè)拼接在一起的微透鏡組成，每一個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)透明區(qū)域，所述的探測(cè)器焦平面陣列由多個(gè)拼接在一起的像元組成，每一個(gè)像元對(duì)應(yīng)一個(gè)微透鏡，所述的前置光學(xué)系統(tǒng)和濾光系統(tǒng)之間還設(shè)置有調(diào)制系統(tǒng)。
[0005]所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其陰影區(qū)域由設(shè)置在平板透鏡表面的反射膜形成。
[0006]所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其微透鏡陣列和濾光系統(tǒng)之間的距離大于等于微透鏡的焦距。
[0007]所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其探測(cè)器焦平面陣列設(shè)置在后組光學(xué)系統(tǒng)后焦面后方的離焦位置上。
[0008]所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其透明區(qū)域、微透鏡和像元的形狀均為正方形。
[0009]所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其后組成像系統(tǒng)包括沿光軸方向依次安裝光學(xué)聚焦系統(tǒng)、光學(xué)中繼系統(tǒng)和光圈。
[0010]本發(fā)明的目的之二在于提供一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的成像方法。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟:
a)、前置光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)場(chǎng)景的紅外輻射聚焦到位于后焦面的濾光系統(tǒng)上；
b)、濾光系統(tǒng)通過(guò)透明區(qū)域?qū)δ繕?biāo)場(chǎng)景的紅外輻射選擇性通過(guò)；
C)、微透鏡將透過(guò)對(duì)應(yīng)的透明區(qū)域的光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄獠鬏數(shù)胶蠼M光學(xué)系統(tǒng)中；
d)、后組光學(xué)系統(tǒng)將接收到的光聚焦到其焦平面上，透過(guò)每個(gè)微透鏡的紅外輻射在經(jīng)過(guò)聚焦后傳輸?shù)教綔y(cè)器焦平面上時(shí)離散開(kāi)覆蓋一個(gè)紅外探測(cè)器像元；
e)、調(diào)制系統(tǒng)控制目標(biāo)場(chǎng)景在前置光學(xué)系統(tǒng)的后焦面上成的像沿著水平和垂直方向進(jìn)行平移；
f)、濾光系統(tǒng)中的每個(gè)透明區(qū)域都對(duì)其附近區(qū)域的紅外輻射進(jìn)行多次采樣，依次獲得的數(shù)據(jù)為11、12、13、……、Ix，從而采用了 M*N分辨率的紅外探測(cè)器可以獲得x1/2M*x1/2N分辨率的圖像。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
(1)本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，在不需要運(yùn)動(dòng)部件的情況下可以實(shí)現(xiàn)紅外高分辨率成像；
(2)本發(fā)明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超大的孔徑角；
(3)本發(fā)明系統(tǒng)成本低特別適合于紅外波段，有效解決了紅外成像系統(tǒng)中分辨率低下的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的工作原理示意圖。
[0014]各附圖標(biāo)記為:I一前置光學(xué)系統(tǒng)，2—濾光系統(tǒng)，20—透明區(qū)域，3—微透鏡陣列，30—微透鏡，4 一后組光學(xué)系統(tǒng)，5—探測(cè)器焦平面陣列，50—像元，6—調(diào)制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016]參照?qǐng)D1所示，作為基本的實(shí)施例，本發(fā)明公開(kāi)了一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光軸方向依次設(shè)置的前置光學(xué)系統(tǒng)1、濾光系統(tǒng)2、微透鏡陣列3、后組光學(xué)系統(tǒng)4和探測(cè)器焦平面陣列5，所述的前置光學(xué)系統(tǒng)I用于將目標(biāo)場(chǎng)景輻射的紅外輻射收集并聚焦，是一種通用的光學(xué)組件，其可以根據(jù)需要透過(guò)的紅外波段范圍來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其放大倍率、孔徑角通常是根據(jù)具體的應(yīng)用范圍進(jìn)行設(shè)定;所述的微透鏡陣列3平行設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)I的后焦面上，所述的濾光系統(tǒng)2為一片設(shè)置有多個(gè)陰影區(qū)域和透明區(qū)域20的平板透鏡，所述的微透鏡陣列3與濾光系統(tǒng)2平行，所述的微透鏡陣列3由多個(gè)拼接在一起的微透鏡30組成，濾光系統(tǒng)2中的透明區(qū)域20的分布情況和微透鏡30的分布情況一樣，每一個(gè)微透鏡30對(duì)應(yīng)一個(gè)透明區(qū)域20，所述的后組光學(xué)系統(tǒng)4用于將透過(guò)微透鏡陣列3的紅外輻射聚焦到探測(cè)器焦平面陣列5上，所述的探測(cè)器焦平面陣列5由多個(gè)拼接在一起的像元50組成，每一個(gè)像元50對(duì)應(yīng)一個(gè)微透鏡30，各個(gè)微透鏡30的像都對(duì)應(yīng)于各個(gè)像元50，所述的前置光學(xué)系統(tǒng)I和濾光系統(tǒng)2之間還設(shè)置有調(diào)制系統(tǒng)6，所述的調(diào)制系統(tǒng)6可以控制目標(biāo)場(chǎng)景在前置光學(xué)系統(tǒng)I的后焦面上成的像沿著水平和垂直方向進(jìn)行平移。
[0017]參照?qǐng)D2所示，作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述的陰影區(qū)域?yàn)樵O(shè)置在平板透鏡表面的反射膜，反射膜鍍?cè)谄桨逋哥R的上部分區(qū)域，反射膜的存在使得有些區(qū)域能夠透過(guò)輻射光，而有些區(qū)域則不能透過(guò)輻射光，其中透明區(qū)域20有規(guī)律的矩陣式分布，此外鍍膜厚度非常薄，幾乎可以忽略不計(jì)。
[0018]更進(jìn)一步，所述的微透鏡陣列3由一系列在二維平面方向上周期分布的微透鏡30拼接組合在一起，相鄰的微透鏡30相互之間毗連在一起，它們具有相同的焦距f。
[0019]更進(jìn)一步，微透鏡陣列3中的微透鏡30的分布以及濾光系統(tǒng)2中的透明區(qū)域20的分布是根據(jù)探測(cè)器焦平面陣列5上的各個(gè)像元50的分布來(lái)確定。微透鏡30的形狀和透明區(qū)域20的形狀都和探測(cè)器焦平面陣列5上的像元50的形狀一樣。
[0020]再進(jìn)一步，微透鏡陣列3的安裝在前置光學(xué)系統(tǒng)I的后焦面后面的某個(gè)位置，所述的微透鏡陣列3和前置光學(xué)系統(tǒng)I的后焦面之間的距離定義為，并且的大小等于微透鏡30的焦距f。
[0021]再進(jìn)一步，所述的后組成像系統(tǒng)4沿著光軸的方向安裝在微透鏡陣列3的后方，后組成像系統(tǒng)4前表面距離微透鏡陣列3的距離可以在合理的范圍內(nèi)隨意設(shè)置。
[0022]再進(jìn)一步，所述的后組成像系統(tǒng)4主要包括沿著系統(tǒng)光軸方向依次安裝光學(xué)聚焦系統(tǒng)、光學(xué)中繼系統(tǒng)和光圈。其中，光學(xué)聚焦系統(tǒng)可以由一塊大橫斷面尺寸的正透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn);光圈用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)光圈大小，最終可以控制系統(tǒng)入瞳大小;光學(xué)中繼系統(tǒng)結(jié)合光學(xué)聚焦系統(tǒng)用于將透過(guò)微透鏡陣列3的紅外輻射聚焦到焦平面PS上。
[0023]本發(fā)明的成像方法，包括以下步驟:
a)、前置光學(xué)系統(tǒng)I將目標(biāo)場(chǎng)景的紅外輻射聚焦到位于后焦面的濾光系統(tǒng)2上。
[0024]b)、濾光系統(tǒng)2利用設(shè)置在其上的按規(guī)律排列的透明區(qū)域20對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的紅外輻射進(jìn)行選擇性通過(guò)，也可以稱為“采樣”，采樣間隔為T(mén)，同時(shí)，透明區(qū)域20的尺寸決定了每個(gè)采樣點(diǎn)的傳遞函數(shù)H。
[0025]c)、微透鏡陣列3中的微透鏡30和濾光系統(tǒng)2中的透明區(qū)域20—一對(duì)應(yīng)，將透過(guò)透明區(qū)域20的光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄獠鬏數(shù)胶蠼M光學(xué)系統(tǒng)4中。
[0026]d)、后組光學(xué)系統(tǒng)4將接收到的光聚焦到其焦平面上，紅外探測(cè)器焦平面在后組光學(xué)系統(tǒng)4的焦平面后方離焦位置，這樣可以使得透過(guò)每個(gè)微透鏡30的紅外輻射在經(jīng)過(guò)聚焦后傳輸?shù)教綔y(cè)器焦平面上時(shí)正好離散開(kāi)覆蓋一個(gè)紅外探測(cè)器像元50。
[0027]e)、調(diào)制系統(tǒng)6控制目標(biāo)場(chǎng)景在前置光學(xué)系統(tǒng)I的后焦面上成的像沿著水平和垂直方向進(jìn)行平移。
[0028]f)、濾光系統(tǒng)2中的每個(gè)透明區(qū)域20都對(duì)其附近區(qū)域的紅外輻射進(jìn)行多次采樣，依次獲得的數(shù)據(jù)為11、12、13、……、Ix，從而采用了 M*N分辨率的紅外探測(cè)器可以獲得Xv2Mh1/2N分辨率的圖像;假設(shè)x=9，則獲得的數(shù)據(jù)為11、12、13、……、18、19，這樣可以使得在采用了M*N分辨率的紅外探測(cè)器可以獲得3M*3N分辨率的圖像。
[0029]上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，以及部分運(yùn)用的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括沿光軸方向依次設(shè)置的前置光學(xué)系統(tǒng)(I)、濾光系統(tǒng)(2)、微透鏡陣列(3)、后組光學(xué)系統(tǒng)(4)和探測(cè)器焦平面陣列(5)，所述的微透鏡陣列(3)平行設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)(I)的后焦面上，所述的濾光系統(tǒng)(2)為一片設(shè)置有多個(gè)陰影區(qū)域和透明區(qū)域(20)的平板透鏡，所述的微透鏡陣列(3)與濾光系統(tǒng)(2)平行，所述的微透鏡陣列(3)由多個(gè)拼接在一起的微透鏡(30 )組成，每一個(gè)微透鏡(30)對(duì)應(yīng)一個(gè)透明區(qū)域(20)，所述的探測(cè)器焦平面陣列(5)由多個(gè)拼接在一起的像元(50)組成，每一個(gè)像元(50)對(duì)應(yīng)一個(gè)微透鏡(30)，所述的前置光學(xué)系統(tǒng)(I)和濾光系統(tǒng)(2)之間還設(shè)置有調(diào)制系統(tǒng)(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的陰影區(qū)域由設(shè)置在平板透鏡表面的反射膜形成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的微透鏡陣列(3)和濾光系統(tǒng)(2)之間的距離大于等于微透鏡(30)的焦距。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的探測(cè)器焦平面陣列(5)設(shè)置在后組光學(xué)系統(tǒng)(4)后焦面后方的離焦位置上。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的透明區(qū)域(20 )、微透鏡(30 )和像元(50 )的形狀均為正方形。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的后組成像系統(tǒng)(4)包括沿光軸方向依次安裝光學(xué)聚焦系統(tǒng)、光學(xué)中繼系統(tǒng)和光圈。7.—種如權(quán)利要求1所述的高分辨率紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的成像方法，其特征在于，包括以下步驟: a)、前置光學(xué)系統(tǒng)(I)將目標(biāo)場(chǎng)景的紅外輻射聚焦到位于后焦面的濾光系統(tǒng)(2)上； b)、濾光系統(tǒng)(2)通過(guò)透明區(qū)域(20)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的紅外輻射選擇性通過(guò)； C)、微透鏡(30)將透過(guò)對(duì)應(yīng)的透明區(qū)域(20)的光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄獠鬏數(shù)胶蠼M光學(xué)系統(tǒng)⑷中； d)、后組光學(xué)系統(tǒng)(4)將接收到的光聚焦到其焦平面上，透過(guò)每個(gè)微透鏡(30)的紅外輻射在經(jīng)過(guò)聚焦后傳輸?shù)教綔y(cè)器焦平面上時(shí)離散開(kāi)覆蓋一個(gè)紅外探測(cè)器像元(50); e)、調(diào)制系統(tǒng)(6)控制目標(biāo)場(chǎng)景在前置光學(xué)系統(tǒng)(I)的后焦面上成的像沿著水平和垂直方向進(jìn)行平移； f)、濾光系統(tǒng)(2)中的每個(gè)透明區(qū)域(20)都對(duì)其附近區(qū)域的紅外輻射進(jìn)行多次采樣，依次獲得的數(shù)據(jù)為11、12、13、……、Ix，從而采用了 M*N分辨率的紅外探測(cè)器可以獲得Xv2Mh1/2N分辨率的圖像。
【文檔編號(hào)】G02B27/58GK106019621SQ201610476885
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月27日
【發(fā)明人】張智杰, 郭良賢, 趙坤, 余徽, 孫偉, 岳松
【申請(qǐng)人】湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司