Обзор технологии атермальной инфракрасной визуализации, основанной на кодировании волнового фронта

Технология инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта — это технология вычислительного оптического изображения, которая сочетает в себе двухэтапное изображение оптического кодирования и цифрового декодирования. Система инфракрасного изображения с атермализацией волнового фронта кодирует и модулирует инфракрасное излучение сцены путем добавления специальной поверхностной оптической фазовой пластины рядом с апертурой инфракрасной оптической системы, так что можно получить выходной сигнал инфракрасного детектора фокальной плоскости в широком диапазоне температур окружающей среды. Промежуточное кодированное изображение является высококонсистентным, а затем промежуточное кодированное изображение декодируется в цифровом виде для получения четкого инфракрасного изображения.

За последние годы отечественными и зарубежными учеными было проведено большое количество теоретических анализов и принципиальных проверок технологии атермальной инфракрасной визуализации с кодированием волнового фронта, продемонстрировавших эффективность ее атермальных характеристик. Основываясь на недавних исследованиях в области технологии инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта, автор представляет предысторию исследований технологии инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта, результаты исследований, полученные в последние годы, и прогнозирует ценность применения и тенденции развития технологии инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта.

Фигура. 1 Схема связей инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта.

Технология инфракрасной визуализации широко используется в системах наблюдения за безопасностью, освоении космоса, промышленной инспекции и других областях. Система инфракрасного изображения в основном состоит из инфракрасной оптической системы и инфракрасного детектора, в котором показатель преломления и коэффициент изменения температуры инфракрасного оптического материала чувствительны к температуре окружающей среды.

Изменение температуры окружающей среды вызывает геометрическую деформацию и изменение показателя преломления оптических элементов инфракрасной оптической системы, а также изменение интервала между оптическими элементами. Плоскость вызывает осевое позиционное отклонение - явление, известное как «термическая дефокусировка».

Термическая дефокусировка приводит к размытию выходного изображения системы инфракрасного изображения, что, в свою очередь, приводит к сбою в работе системы инфракрасного изображения. Для обеспечения нормальной работы системы инфракрасного изображения в широком диапазоне температур необходимо исключить влияние изменений температуры окружающей среды на инфракрасную оптическую систему, выполнить атермическую конструкцию системы инфракрасного изображения и улучшить адаптируемость инфракрасной системы. системы визуализации при температуре окружающей среды.

В настоящее время распространенные технологии атермализации в основном включают в себя электромеханическую активную, механическую пассивную, оптически-пассивную, рефракторно-рефракционную гибридную технологию, цифровую перефокусировку и технологию визуализации с кодированием волнового фронта.

Первая категория, электромеханические активные. Эта технология определяет дрейф плоскости изображения с помощью датчика температуры и приводит детектор в движение с помощью двигателя, чтобы компенсировать тепловую дефокусировку, вызванную изменениями температуры.

Вторая категория – механические пассивные. В этой технологии используются твердые материалы, пластмассы, жидкости, материалы из сплавов с эффектом памяти и т. д. с высокой степенью расширения, чтобы осевое положение группы линз перемещалось при изменении температуры, тем самым пассивно компенсируя тепловую дефокусировку, вызванную изменениями температуры, и обеспечивая поверхность изображения. . Местоположение не меняется.

Третья категория — оптические пассивные. Эта технология поддерживает оптимальное положение плоскости изображения, зафиксированное в условиях изменения температуры, благодаря правильному сочетанию структуры и материала оптического элемента.

Четвертая категория — это складчато-производные гибриды. Эта технология использует дополнительные характеристики дифракционных элементов с уникальным коэффициентом термической разности и отрицательным коэффициентом хроматической аберрации и объединяет дифракционные элементы с преломляющими элементами для создания системы.

Пятая категория – метод математической перефокусировки. Эта технология рассматривает процесс восстановления изображения термической расфокусировки как добавление виртуального цифрового фокусирующего зеркала к инфракрасной оптической системе для реализации перефокусировки системы инфракрасного изображения.

Шестая категория — это технология формирования изображения с кодированием волнового фронта. Эта технология представляет собой метод вычислительной оптической визуализации, сочетающий оптическое кодирование с цифровым декодированием. Как показано на рисунке 1, к выходному зрачку или апертурной диафрагме традиционной оптической системы добавляется оптическая фазовая пластинка, так что оптическая система имеет характеристики нечувствительности к дефокусировке плоскости изображения, а среднее расстояние получается в относительно большой диапазон термодефокусировки. Кодированное изображение практически не зависит от положения плоскости изображения.

Чтобы получить четкое выходное изображение, блок обработки математического декодирования использует технологию восстановления цифрового изображения для цифрового декодирования и восстановления размытого промежуточного кодированного изображения и удаления размытия кодирования изображения оптической системы с помощью оптической фазовой пластины. Таким образом, система инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта может выводить более четкое инфракрасное декодированное изображение в большом диапазоне расфокусировки, устранять тепловую расфокусировку, вызванную изменением температуры окружающей среды, и реализовывать цель атермической обработки.

Подводя итог, первые четыре типа технологий относятся к традиционной технологии атермализации с упором на технические средства проектирования оптико-механических структур; пятый тип метода математической перефокусировки не накладывает ограничений на инфракрасную оптическую систему и ориентирован на использование только технологии цифровой обработки информации.

Технология инфракрасного изображения атермализации с кодированием волнового фронта объединяет новые оптические устройства и два технических средства обработки информации для проектирования атермализации, находит оптимальное решение в двух пространствах оптики (оптическое кодирование) и электричества (цифровое декодирование) и достигает хороших результатов. Система инфракрасного изображения не имеет теплового эффекта.

Команда проекта в течение длительного времени занимается теорией и методом кодирования инфракрасных изображений волнового фронта и разработала несколько наборов прототипов систем инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта.

В 2016 году команда проекта разработала набор систем инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта, используя инфракрасный материал селенида цинка (ZnSe) в качестве оптической фазовой пластины (см. Рисунок 2), а для оптического кодирования используется кубическая фазовая пластинка из материала ZnSe (см. Рисунок 3). ), Диапазон рабочих температур составляет -40℃~+60℃, рабочая длина волны 8~12 мкм, фокусное расстояние f=65 мм, число F 1,0, диапазон поля зрения 6°x8°, и неохлаждаемая инфракрасная решетка — 320×240. Детектор и провели эксперименты по проверке атермализации (см. рисунок 4). Соответствующие результаты исследований опубликованы в международных журналах (Applied Optics, 2016, 55(21): 5715-5720).

Фигура. 3 Фазовые пластины ZnSe без покрытия (слева) и с покрытием (справа)

В 2017 году команда проекта разработала систему инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта с атермическим температурным диапазоном 110 ℃ (см. Рисунок 5, слева), а в ее оптическом кодировании используется третичная фазовая пластина германия (Ge) (см. Рисунок 5, справа). диапазон рабочих температур –40℃~+70℃, фокусное расстояние f=65 мм, число F – 1,0, поле зрения – 6°×8°; Детектор представляет собой неохлаждаемый инфракрасный детектор с матрицей площадью 320×240. Размер пикселя составляет 38 мкм, а рабочая полоса составляет 8–12 мкм.

На рисунке 6 показано влияние двух наборов декодированных изображений при комнатной температуре, на рисунке 7 показано экспериментальное устройство для высоких и низких температур, используемое для проверки атермализации, а на рисунке 8 показаны результаты экспериментов на мишени. На рисунке 9 показаны результаты экспериментов по внешнему виду. Соответствующие результаты исследований опубликованы в международных журналах (Infrared Physics & Technology, 2017, 85, 157-162; Journal of Optics, 2016, 18: 075703).

Фигура. 6. Две серии экспериментов с прототипом системы инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта при нормальных температурных условиях.

Команда проекта использовала вышеупомянутый прототип системы инфракрасного изображения с фазовой пластиной из германиевого материала, кодирующей волновой фронт, для проведения сравнительного эксперимента с обычной системой инфракрасного изображения. Три преимущества:

(1) Хорошо работает в широком диапазоне температур до 110 ℃;

(2) Фокусная глубина системы визуализации увеличена в 15,2 раза;

(3) Среднее значение индекса структурного сходства (MSSIM) декодированного изображения и резко сфокусированного инфракрасного изображения превышает 0,85.

Рис. 9. Результаты экспериментов по атермализации прототипа системы инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта (фазовая пластина, содержащая германиевый материал).

В 2017 году команда проекта разработала двухлинзовую широкопольную систему инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта (см. рисунок 10). Оптическая фазовая пластина двустороннего типа (асферическая спереди и кубическая сзади, см. рисунок 11), материал — Ge. Его рабочее поле зрения составляет 25° в полном поле зрения, а диапазон рабочих температур составляет -20℃~+70℃; его детектор представляет собой неохлаждаемый инфракрасный детектор с матрицей площадью 640×512 и размером пикселя 17 мкм. Полоса составляет 8~13,5 мкм.

На рисунке 12 показано место, где проводился эксперимент по проверке поля зрения, а на рисунке 13 показаны результаты проверочного эксперимента по атермализации. Соответствующие результаты исследований опубликованы в международных журналах (Infrared Physics & Technology, 2017, 87: 11-21).

Рис. 13. Результаты экспериментов по атермализации прототипа двухлинзовой широкопольной системы инфракрасного кодирования волнового фронта.

В 2020 году команда проекта теоретически проанализировала механизм влияния цифрового отклонения оптической функции рассеяния точки (PSF) в системе инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта на качество декодированного изображения и провела количественную оценку с помощью индекса среднего структурного сходства (MSSIM). Приведены экспериментальная установка (см. рисунок 14) и метод измерения PSF-изображения, закодированного волновым фронтом.

На рисунке 15 приведен пример измеренного изображения PSF. На рисунке 16 показан эффект двух наборов декодированных изображений с использованием измеренных изображений PSF, демонстрирующий эффективность измеренного PSF. Соответствующие результаты исследований опубликованы в международных журналах (Journal of Optics, 2020, 22: 025703).

(б) Эксперименты группы 2. Промежуточное кодированное изображение (слева) и декодированное изображение (справа)

Фигура. 16 Измеренное изображение PSF используется для декодирования промежуточного кодированного изображения сцены на открытом воздухе.

Подводя итог, текущие исследования в области технологии инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта в стране и за рубежом в основном сосредоточены на использовании технологии изображения с кодированием волнового фронта для расширения глубины резкости, улучшения диапазона температурной адаптации системы инфракрасного изображения, уменьшения аберрации инфракрасной оптической системы. систему и уменьшить всю систему инфракрасного изображения. Объем, вес и стоимость оптических систем с упором на моделирование и экспериментальную проверку основных принципов.

На данном этапе перед технологией инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта необходимо решить следующие проблемы:

(1) Существующую технологию кодирования волнового фронта трудно применить к конструкции атермализации инфракрасной оптической системы с масштабированием, что представляет собой сложную проблему, которую необходимо решить. В процессе проектирования системы инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта необходимо учитывать такие параметры, как обычная инфракрасная оптическая система и диапазон температур атермализации.

Непрерывное увеличение инфракрасной оптической системы увеличит сложность проектирования параметров оптической фазовой пластины, а непрерывное увеличение инфракрасной оптической системы приведет к постоянным изменениям в оптическом PSF, увеличивая сложность сохранения ядра цифрового декодирования. «совпадает» с оптическим кодером в конструкции цифрового декодирования. Непрерывное масштабирование создает проблемы при проектировании как оптических фазовых пластин, так и цифровых декодеров.

(2) Оценка качества изображения при кодировании волнового фронта является основной проблемой, с которой сталкивается техническое приложение. В системе инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта «несоответствие» между оптическим кодированием и цифровым декодированием в информационном пространстве вызывает «артефакты» в декодированном изображении, что снижает разрешение деталей сцены. Приложения имеют разную степень воздействия. Следовательно, объединение конкретной прикладно-ориентированной оценки качества изображения декодирования является сложной задачей, которую необходимо решить.

Ожидается, что в будущем технология инфракрасной визуализации с кодированием волнового фронта будет применяться в аэрокосмической области:

(1) Технология кодирования волнового фронта используется для атермализации, облегчения и миниатюризации космических инфракрасных камер.

Для инфракрасной оптической системы с большой апертурой и большим фокусным расстоянием степень расфокусировки более чувствительна к изменению температуры, а кодирование волнового фронта более очевидно улучшает ее объем, вес и стоимость. Существующая система инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта в основном имеет пропускающую структуру. Для систем с большой апертурой, большим фокусным расстоянием и катадиоптрических систем инфракрасного изображения технология кодирования волнового фронта используется для уменьшения объема, качества и стоимости, что также заслуживает углубленного изучения.

(2) Ожидается, что технология кодирования волнового фронта будет использоваться в противолазерной защите от помех инфракрасной ГСН.

Сильный лазер повредит целевую поверхность детектора, вызывая ослепление и ослепление. Оптический кодировщик может расширять световое пятно, значительно ослаблять схождение энергии и играть защитную роль.

Новая технология, новый метод и новая технология кодирования волнового фронта инфракрасной визуализации в будущем также заслуживают углубленного изучения и исследования:

(1) Процесс ламинирования компонентов оптического кодирования заслуживает изучения и исследования. Процесс производства оптической фазовой пластины завершается одноточечным алмазным точением, поэтому снижение затрат ограничено. С популяризацией процесса ламинирования бытовых инфракрасных линз в сочетании с методом компенсации ошибок обработки в процессе внутреннего цифрового декодирования процесс ламинирования используется для создания волнового фронта. Оптические фазовые пластинки для кодирования инфракрасных оптических систем заслуживают дальнейшего изучения.

(3) Стоит изучить внедрение глубокого обучения в технологию инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта. Обработка цифрового декодирования существующей системы инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта обычно использует метод модели, который обычно имеет недостатки, связанные с серьезными артефактами и усилением шума. Глубокая нейронная сеть обладает хорошей способностью подгонки нелинейных отображений, а процесс декодирования основан на глубоком обучении. Ожидается, что это позволит получить более качественные эффекты декодирования изображения.

(4) Технология инфракрасного изображения сверхвысокого разрешения с кодированием волнового фронта заслуживает изучения и исследования. На международном уровне были сообщения об использовании технологии кодирования волнового фронта для улучшения камер видимого света, но не было публичных отчетов об улучшении разрешения изображения инфракрасных камер.

Исследуйте и исследуйте новые механизмы, новые методы и новые технологии для улучшения разрешения изображений инфракрасных камер с помощью кодирования волнового фронта. Оно имеет теоретическое и прикладное значение. В будущем перспективным направлением исследований также является расширение системы атермальной инфракрасной визуализации с кодированием волнового фронта до системы инфракрасной визуализации с кодированием волнового фронта и одновременной визуализацией сверхвысокого разрешения.

Инфракрасная тепловизионная линза, рассматриваемая в этой статье, разработана и изготовлена компанией Quanhom и может использоваться для профессиональных экспериментов и анализа.

Благодаря превосходным технологиям исследований и разработок и строгой системе контроля качества мы быстро стали одним из ведущих производителей Оптико-электромеханические компоненты. Мы стремимся производить различные высококачественные тепловые инфракрасные линзы (LWIR, MWIR и SWIR) в соответствии с разнообразными потребностями клиентов. Наш продуманный комплексный сервис также завоевал единодушную похвалу и доверие многих клиентов. Если вы хотите купить наши инфракрасные тепловизионные линзы, немедленно свяжитесь с нами!

Источник журнала: Инфракрасная и лазерная техника, 2022, 51(1): 20210454. DOI: 10.3788/IRLA20210454.

об авторе:

Первый автор: Ши Зелин

Ши Зелин, доктор философии, научный сотрудник Шэньянского института автоматизации Китайской академии наук, директор Ключевой лаборатории оптоэлектронной обработки информации Китайской академии наук, научный руководитель Университета науки и технологий Китая и Китайского университета. Академия наук. Он долгое время занимался исследованиями в области оптико-электронных информационных технологий и был главным научным сотрудником проекта плана 973.

Его достижения завоевали 2-е место Национальной премии за технологические изобретения в 2008 и 2017 годах, 1-е место Национальной премии за прогресс в области науки и технологий в 2010 году, а также привели его команду к получению 1-й премии за выдающиеся научные и технологические достижения Китайской академии наук в 2016. Авторизовал более 50 патентов на изобретения и опубликовал более 260 научных работ.

Фэн Бинь

Фэн Бинь, доктор философии, является младшим научным сотрудником Школы автоматизации Северо-Западного политехнического университета. В 2011 году он остался в Шэньянском институте автоматизации Китайской академии наук для предварительной работы. В 2012 году окончил Университет Китайской академии наук со степенью доктора. В 2018 году был переведен на факультет автоматизации Северо-Западного политехнического университета. В основном занимается инфракрасными изображениями с кодированием волнового фронта, измерением инфракрасной температуры, поляризационными изображениями, обнаружением целей, приложениями глубокого обучения и другой исследовательской работой.

Он руководил более чем 10 подтемами Национального проекта 973, подтемами проекта специальной инновационной зоны, проектами ключевых программ исследований и разработок провинции Шэньси и проектами Фонда аэрокосмической науки и технологий. Работал экспертом по оценке писем Национального фонда естественных наук Китая, членом редколлегии отечественного журнала «Прикладная оптика», рецензентом журналов «Китайский лазер» и «Оптический журнал», стал лауреатом премии «Выдающийся рецензент Китая». Журнал «Лазер» в 2017 и 2019 годах; Рецензент международных журналов Optics Letters, Journal of Optics, Applied Optics.

Фэн Пин

Фэн Пин, магистрант факультета автоматизации Северо-Западного политехнического университета, с 2020 года занимается исследованиями технологии кодирования волнового фронта инфракрасной визуализации. Принимала участие в работе Фонда аэрокосмической науки и технологий, Открытого фонда Ключевой лаборатории Китайской академии наук и проекту экстренных исследований по профилактике и контролю эпидемии новой коронарной пневмонии Северо-Западного политехнического университета.