中波红外成像系统的制作方法

本实用新型涉及一种光学成像系统，具体涉及一种中波红外成像系统。

背景技术：

在红外探测成像等应用中，为了得到更好的检测、识别和跟踪效果，对红外成像质量的要求越来越高，由于受制作工艺、工作条件等因素影响，直接提高探测器分辨率技术困难且代价昂贵。

一名为“一种基于压缩感知理论的红外图像超分辨率重建方法”的中国发明专利申请(申请号为201510187916.7)公开了一种利用压缩感知理论将原始低分辨率图片转换为高分辨率图片的方法。由于压缩感知需要对原始图像各像素进行压缩编码，因此实际应用中需要使用DMD数字微镜，一名为“一种用于DMD相机的光学系统”的中国发明专利申请(申请号为201410141203.2)公开了一种DMD成像系统，该系统沿光路前进方向依次设有成像光学系统、TIR棱镜、DMD、中继光学系统和探测器，该TIR棱镜由两个直角棱镜胶合而成，由于光束从光密介质到光疏介质会发生全反射，但从光疏介质到光密介质则不会，因此将两直角棱镜之间留设一定宽度气缝，使得DMD能够控制光束进出，同时为了保证成像质量，该气缝的宽度必须保持在μm量级。由于DMD是用于成像以及控制光束方向，因此光束必须以垂直或接近垂直角度射向DMD表面，但TIR棱镜设置要求过高，为保证成像质量，使得整个光路结构过于复杂，且成本较高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种中波红外成像系统以解决目前DMD成像系统结构复杂的问题。

本实用新型为解决上述技术问题，提供方案一：本实用新型的一种中波红外成像系统，包括从物方到像方依次设置的第一光学镜组、DMD数字微镜、第二光学镜组和探测器；该第一光学镜组的入光端包括入射区域和出射区域，入射光从该入射区域进入该第一光学镜组，经该DMD数字微镜反射后再次进入第一光学镜组并从该出射区域入射进所述第二光学镜组。

本方案通过在第一光学镜组的入光端设置入射区域和出射区域，使入射光从该入射区域进入该第一光学镜组，经该DMD数字微镜反射后再次进入第一光学镜组并从该出射区域离开，最后经第二光学镜组到达探测器，使得DMD在与第一光学镜组同轴或接近同轴设置完成成像要求的情况下，还能够通过偏转微镜角度实现对光束的控制，同时避免使用TIR棱镜，精简了光路结构，节省了硬件成本。

方案二：在方案一的基础上，该入射区域位于该第一光学镜组的入光端的中心区域，该出射区域位于该入射区域的周围。

本方案在方案一的基础上进一步限定了入射区域与出射区域的位置，使入射光偏轴入射进第一光学镜组，在DMD的调控下，使反射光沿轴通过第一光学镜组，使反射光能够在探测器处更好地成像。

方案三：在方案二的基础上，该第一光学镜组与该第二光学镜组之间设有用于将从该出射区域中出射的光束反射到该第二光学镜组的反射镜。

本方案在一二光学镜组之间设置了反射镜，用以将从第一光学镜组出射的光束反射到第二光学镜组中，这样可以使得整个光路紧凑，避免整体结构过长导致实际使用的不方便。

方案四：在方案一或二或三的基础上，该第一光学镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，该第一透镜为正弯月形透镜，该第二透镜为负光焦度的负弯月形透镜，该第三透镜为平凸透镜，该第四透镜为负光焦度的负弯月形透镜，该第五透镜为正弯月形透镜。

方案五：在方案四的基础上，该第二光学镜组包括第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜，该第六透镜为正弯月形透镜，该第七透镜为负光焦度的负弯月形透镜，该第八透镜为负光焦度的负弯月形透镜，该第九透镜为凸平透镜。

方案六：在方案四的基础上，该第一透镜的厚度为12mm，该第二透镜的厚度为15mm，该第三透镜的厚度为15mm，该第四透镜的厚度为11.3mm，该第五透镜的厚度为14.8mm；该第一透镜与该第二透镜的间隔为17.9mm，该第二透镜与该第三透镜的间隔为53.9mm，该第三透镜与该第四透镜的间隔为18.4mm，该第四透镜与该第五透镜的间隔为6.52mm。

方案七：在方案五的基础上，该第六透镜的厚度为13.68mm，该第七透镜的厚度为3.2mm，该第八透镜的厚度为15mm，该第九透镜的厚度为3mm；该第六透镜与该第七透镜的间隔为3.17mm，该第七透镜与该第八透镜的间隔为2.5mm，该第八透镜与该第九透镜的间隔为13.67mm。

方案八：在方案七的基础上，该第一透镜为SILICON透镜，该第二透镜为GERMANIUM透镜，该第三透镜为SILICON透镜，该第四透镜为GERMANIUM透镜，该第五透镜为SILICON透镜，该第六透镜为SILICON透镜，该第七透镜为GERMANIUM透镜，该第八透镜为SILICON透镜，该第九透镜为SILICON透镜。

附图说明

图1是本实用新型中波红外成像系统一种实施例的结构示意图；

其中，1为第一光学镜组，2为DMD数字微镜，3为反射镜，4为第二光学镜组，5为探测器；

图2是本实用新型中波红外成像系统的工作流程图；

图3-(a)是本实用新型中波红外成像系统的一种编码矩阵图；

图3-(b)是本实用新型探测器的像素单元示意图；

图3-(c)是本实用新型中波红外成像系统的一种编码矩阵图的子矩阵图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。

如图1为本实用新型中波红外成像系统的一种实施方式，从物方到像方依次设置有第一光学镜组、DMD数字微镜、反射镜、第二光学镜组和探测器；该第一光学镜组的入光端(也就是第一透镜的外表面)被分为入射区域和出射区域，第一光学镜组的入光端的中心区域，该出射区域位于该入射区域的周围，入射光从该入射区域偏光轴射入并通过第一光学镜组后，在DMD数字微镜处第一次成像。DMD数字微镜阵列由上百万个尺寸为μm量级的微小反射镜组成，每个微镜可由控制系统控制器控制翻转，DMD翻转为两个状态分别为+12°(也可以是其他角度+θ)和-12°(也可以是其他角度-θ)。该第一光学镜组采用偏瞳设计，入射光线偏离光轴入射，保证入射到DMD数字微镜的主光线与DMD数字微镜面翻转法线夹角为24°(当DMD翻转为两个状态分别为+θ和-θ时，该夹角为2θ)。当DMD翻转+12°后，光线经微镜反射后以水平光轴角度重新进入第一光学镜组，出射第一光学镜组后经过反射镜反射入射到第二光学镜组。当DMD翻转为-12°时，光线不会再次反射进入到第一光学镜组，由此通过DMD微镜翻转的方法对DMD位置的图像进行编码。最后通过中波红外探测器采集图像。控制系统保证DMD数字微镜与探测器采集同步，对探测器采集曝光进行控制，并且与红外光调制器翻转同步，图像处理系统处理采集图像进行输出显示。

第一光学镜组1其特征为，前物镜作用为将红外场景成像到DMD微镜位置处。视场为10度，F数大于2.5，主光线相对于DMD翻转平面夹角24°，光学分辨率要求小于等于DMD像元尺寸，此时将场景成像到DMD上时才不会丢失图像细节。成像物镜要求MTF与DMD数字微镜的微镜间距尺寸匹配＞0.3@46mm/lp，成像物镜要求畸变≤1％，第一光学镜组具体设计参数如表1所示。

表1

DMD数字微镜由上百万个尺寸为μm量级的微小反射镜组成，每个反射镜的角度可独立控制两种稳定的微镜状态(+12°和-12°)。DMD微镜阵列数目为要求1280×1024，微镜间距要求＞10μm。DMD窗口要求蓝宝石材料，透过波段范围为3.7μm-4.8μm。

反射镜要求其倾斜角度与光轴夹角为45°，表面镀中波反射膜。

第二光学镜组要求第二光学镜组物方NA(数值孔径)数与第一光学镜组像方NA数匹配。第二光学镜组作用为与第一光学镜组结合，将DMD上信息投影到红外探测器上。由于一组4×4的DMD像元整体面积大于探测器单个像素的面积，因此DMD上的像经过第二光学镜组后缩小相应倍数后成像到探测器上，第二光学镜组在这里起到使DMD反射的图像大小同探测器靶面大小相匹配的作用。第二光学镜组设计参数如表2所示。

表2

中波红外探测器要求光谱范围3.7μm-4.8μm，分辨率320×256，像素尺寸30μm。

图像处理系统用于对采集图像进行重建和非均匀、畸变、模糊校正。

如图2所示为本实用新型中波红外成像系统的工作流程图，系统上电后，首先进行初始化，包括采样矩阵，探测器非均匀性校正等；之后控制模块控制并行采样模块进行编码采样及成像，成像数据经过图像重构算法重构后，输出显示并且存储。

第一光学镜组系统对无穷远场景成像，对角线视场为10°，成像到红外调制器位置。红外调制器为DMD微镜，可控制微镜翻转达到对成像调制作用，当DMD微镜翻转12°，光线以0°水平重新入射到第一光学镜组，最终经第二光学镜组成像系统的中波探测器中。当DMD微镜翻转-12°，不会进入后续系统。

根据压缩感知原理设计DMD编码矩阵控制DMD微镜旋转，即将DMD上的反射镜划分为4×4的小块(共划分为320×256个小块)，每块对应CCD上一个像素，块与块之间是相互独立的，整体矩阵排布符合伯努利分布。成像系统工作时，会对同一个场景进行M次拍摄(即进行M次采样)，每次拍摄时DMD呈现不同的编码。如图3-(a)所示为一种编码矩阵图，其与图3-(b)所示的探测器像素单元一一对应，图3-(c)为编码矩阵的子矩阵，即上述4×4的微镜小块，图中显示的采样编码为1101000011011010。

重建图像前进行非均匀、畸变、模糊校正，消除红外成像系统固有的非均匀性，光学系统造成的畸变和模糊。校正过程如下：首先将理想红外平行光放置在光学系统前面，接下来，每次只将一个DMD的微镜置于“开”的状态(+12°)，并且记录探测器上的光强，如此不断重复，依次记录每个DMD微镜反射的光。探测器像素为320×256＝81920个，因此每个DMD微镜反射的光在探测器上的响应可以看做一个长度为81920的向量。总共有1280×1024＝1310720个这样的向量。每个向量作为矩阵的一列，可以形成81920×1310720的矩阵C，称为校正矩阵。校正矩阵的行表示的是对于某个探测器像素，各个DMD微镜贡献的光能量，可以用于修正采样矩阵的值。非均匀校正过程如下：基于场景的自适应校正算法利用探测器响应模型和图像帧间关系，通过对若干帧图像的处理，根据场景信息动态更新校正参数，有效解决时间积累或工作环境带来的参数漂移，实现动态实时非均匀性校正。非均匀性校正采用如下公式：

Y＝K·(X-B)+BOffset+Bavr

其中Y是校正后的输出；K是校正的系数(在有快门工作方式时K值为标定的系数，在无快门工作方式时，K值固定)；X为探测器的原始输出；B值在有快门算法时为常数，在采用无快门算法时为计算出来的值；BOffset值为计算出来的值(累积多帧图像求均值，然后利用探测器的原始输出与多帧图像的均值做差值得到该像素位置对应的BOffset值)；Bavr值为计算出来的每帧图像B值的平均值。

压缩感知图像重构算法利用探测采样到的M幅低分辨率图像(320×256)和M个不同的编码矩阵，重建出高分辨率图像(1280×1024)。为了缩短重构时间，高速重构模块通过分块重构的方式并行的重构出各个子块，最终拼接成一幅1280×1024分辨率的高分辨率图像。

上述实施例中，使用了320×256像素的探测器，同时配合使用1280×1024的DMD微镜阵列，当然可以使用其他像素值的探测器，并配合相应的DMD微镜阵列即可。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。