Обзор технологии атермальной инфракрасной визуализации, основанной на кодировании волнового фронта
- доля
- Время выпуска
- 2022/2/17
Резюме
В этой статье изучаются теория и метод инфракрасной визуализации с кодированием волнового фронта, а также разрабатывается несколько прототипов систем инфракрасной визуализации с кодированием 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).
Рис. 2. Прототип системы инфракрасного изображения волнового фронта фазовой пластины ZnSe.
Фигура. 3 Фазовые пластины ZnSe без покрытия (слева) и с покрытием (справа)
Рис.4. Результаты экспериментов по атермализации прототипа системы инфракрасного изображения с кодированием волнового фронта фазовой пластины ZnSe.
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).
Рис. 5. Прототип системы длинноволнового инфракрасного изображения, кодирующей волновой фронт, и оптическая фазовая пластина из материала GE.
(а) Эксперимент группы 1. Промежуточное кодированное изображение (слева) и декодированное изображение (справа)
(б) Эксперименты группы 2. Промежуточное кодированное изображение (слева) и декодированное изображение (справа)
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.7. Экспериментальная установка для атермизационной проверки прототипа системы инфракрасного изображения.
Рис. 8. Результаты целевого эксперимента по проверке атермализации
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).
Фигура. 10 Прототип широкопольной системы инфракрасной визуализации с кодированием волнового фронта. Слева: физическая карта; справа: оптико-механическая модель
Рис. 11 Асферическая поверхность (слева) и кубическая поверхность (справа) двухсторонней фазовой пластины.
Фигура. 12 Испытание поля зрения экспериментальной установки прототипа системы инфракрасной визуализации с широким полем обзора и кодированием волнового фронта
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).
Фигура. 14 Принципиальные схемы измеренного изображения PSF (вверху) и экспериментальной установки (внизу)
Фигура. 15 иллюстрирует последовательность операций обработки необработанных изображений PSF. (а) исходное изображение PSF; (б) неравномерно скорректированное PSF-изображение; (c) исправленное изображение PSF
(а) Эксперимент группы 1. Промежуточное кодированное изображение (слева) и декодированное изображение (справа)
(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.