基于仿生眼的紅外小凹成像系統設計

呂鳳先， 常　軍， 張運強， 2

(1. 北京理工大學 光電學院， 北京　100081； 2. 中國空空導彈研究院， 河南 洛陽　471009)

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基于仿生眼的紅外小凹成像系統設計

呂鳳先1， 常軍1， 張運強1， 2

(1. 北京理工大學 光電學院， 北京100081； 2. 中國空空導彈研究院， 河南 洛陽471009)

小凹成像光學系統是未來解決大視場、高分辨率、輕小型成像應用需求的最有潛力的方案之一。本文對小凹成像光學系統的成像原理及設計理論進行了詳細的闡述,設計了一套應用于長波紅外波段的大視場基于變形鏡的小凹光學系統,并在此基礎上對系統性能進行分析和對比。采用基于變形鏡進行相位補償的小凹成像光學系統可以隨時得到感興趣視場的高分辨率成像,并同時對全視場以較低的分辨率成像。

小凹成像;紅外波段;大視場;高分辨率;變形鏡

0　引　　言

為了能夠在不同的光照條件下實現最佳的態勢感知和目標識別， 需要使用大視場、 高分辨率的快速輕小型成像系統來獲得足夠大的視場和足夠詳細的目標信息。 在傳統的成像光學系統中， 為了同時獲得大視場和較高成像質量， 通常采用減小入瞳直徑和增加光學元件或使用特殊光學元件的方法[1]。 然而減小入瞳直徑的同時會降低像平面的光照度； 增加光學元件會使系統體積、 重量增加； 使用特殊光學元件將提高加工與裝調的難度。 輕小型化、 高分辨率和可用視場之間的矛盾需要新的方法來平衡[2]。 小凹成像光學系統模擬人眼成像系統的特性， 既可以為目標探測實現大視場的全局成像， 又可以為目標細節的辨別實現高分辨率的局部成像。 同時小凹光學系統也兼顧了小型化、 數據傳輸量低的優勢。

1　研究背景

1.1小凹成像原理

小凹成像的設計概念， 來自于人眼視網膜上的可變空間分辨率。 人的眼睛本身相當于一個光學成像儀器， 外表大體為球形， 內部構造如圖1所示。

圖1人眼結構示意圖

人眼是典型的具有大視場、 區域高分辨率的成像光學系統， 視網膜是人眼中的“可見光傳感器”， 其上面的感光細胞分布是不均勻的。 視網膜上黃斑的中央有一個直徑0.3 mm的區域， 密集了大量的感光細胞， 是視網膜上視覺最靈敏的區域。 在這個區域周圍， 分辨率隨著視場的增大而逐漸降低[3]。 在觀察物體時， 人眼凝視在感興趣的區域， 并將感興趣區域成像在中央凹處來獲得最高的分辨率； 其周圍區域隨著對凝視區域的偏離， 分辨率會逐漸降低， 當眼睛觀察外界物體時， 通過轉動眼球， 使像成在中央凹上， 這樣視場內任何區域均可以被高分辨地予以觀察。

1.2國外小凹成像發展簡述

Martinez等人在光學系統中模仿人眼小凹成像的概念， 提出了一個在全視場內具有可變分辨率的緊湊的廣角鏡頭來減小大視場光學系統的復雜程度和規模[4]。 通過在孔徑光闌處放置空間光調制器來選擇性地校正感興趣視場的像差， 在感興趣區域外的其他視場處產生模糊的像。 通過調整空間光調制器引入的光程差， 可以在視場內動態轉換感興趣區域并消除期望視場點的波前像差。

Martinez等提出的小凹光學系統與一個高分辨率掃描成像儀疊加到一個低分辨率的廣角凝視成像儀的系統相似[5]， 但與之不同的是， 其不需要機械轉換視場。 因而這樣的混合鏡頭有潛力降低大視場光學系統的復雜度和規模。

上述小凹成像的概念隨后得到同一個研究組的證實， 該研究組首次展示了使用液晶空間光調制器實現小凹成像的小孔徑小視場的光學系統[6]。 為了能夠在較大的視場中實現像差校正并保證體積小型化， George等人嘗試使用透射式液晶空間光調制器來代替反射式空間光調制器[7]。 該研究也對透射式空間光調制器存在的問題， 例如由其結構引起的衍射效應對于光能量的傳輸、 零級衍射效率以及像質的影響進行了分析與討論。

空間光調制器等主動光學元件可應用在不同的環境中對光學系統的像差進行校正， 當溫度變化的范圍很大時， 如10～90 ℃， 液晶的衍射效率變化非常大， 從98.7%到27.2%[8]。 為了避免此元件引起的誤差， 新的變形鏡技術成為替代產品之一， 對元件在太空環境下測試， 變形鏡的反射性質、 扭轉角度的精度等決定其性能的量并沒有受到沖擊、 震動、 濕度以及壓力等太空環境的影響[9]。 該結果表明在復雜的環境中使用變形鏡校正光學系統的像差優于空間光調制器。 文獻[10]嘗試了將微機械變形鏡的位移沖程從2 μm提高到了10 μm， 以擴展其在天文及視網膜成像領域的應用。

本文的研究內容也是基于Martinez提出的小凹成像的基本概念展開， 結合變形鏡環境適應性較強的特點， 設計并分析了在紅外波段中實現較大視場的局部高分辨率成像的基于變形鏡的小凹光學系統。

2　紅外小凹成像系統

自然界的一切物體都輻射紅外線， 波長與能量隨著物體溫度的不同而不同， 這種普遍性與差異性使紅外技術獲得廣泛應用。 在紅外成像制導技術中， 主要使用中波紅外或長波紅外， 光學成像系統與探測系統收集目標信息， 由信息處理系統將圖像信息進行處理并傳送給制導指令系統， 控制導引頭工作。 為獲取高精度的導引信息以進行精確制導， 要求紅外成像光學系統具備以下特點: 在使用制冷型探測器的紅外光學系統中考慮出瞳與冷光闌的匹配； 具有較高的分辨率及穩定的像質； 具有較高的透過率； 受溫度影響引起的像質變化較小； 小型化、 輕型化[11]。

在紅外導引頭成像光學系統中， 已有的提高像質的方法包括超分辨技術以及二元光學元件[12]。 由于噪聲的影響， 能被復原和重建的超分辨率信息受到限制[13]。 本文針對實現光學系統較高分辨率的要求提出了使用基于變形鏡的大視場局部高分辨率的小凹光學系統。 相比于之前的兩種方法， 變形鏡不需要進行后期的圖像處理，只需要針對不同的波前相位分布來控制變形鏡的形變， 進而進行位相補償， 因而基于變形鏡的小凹成像光學系統在提高成像質量的同時可以減少系統校正像差的時間。 同時， 使用變形鏡來校正光學系統的像差可以兼顧高分辨率、 較高的系統透過率以及小型化、 輕型化的需求。

2.1關鍵元器件——變形鏡

變形鏡通過控制電壓或電場等物理量來控制光的傳播路徑進而調制波前位相分布。 對于膜表面微機械變形鏡， 可對不同位置處的微電極施加一定的電壓來改變膜表面的變形量， 進而通過改變光線傳播的幾何路徑而控制光程差。 由于像差是視場角和孔徑的函數， 在每一個時刻， 只有一個視場角以及其周圍一定區域的像差能夠被校正， 而這個周圍區域的大小取決于其像差的大小及應用環境所決定的需要校正像差的程度。 由于每個視場角處的像差可以通過光線追跡或直接測量得到， 所需控制變形鏡形變的電壓可以提前計算并預先保存于表格中， 當需要校正特定視場的像差時， 從表格中提取數據即可。 微機械變形鏡通過校正像差來擴大視場的能力取決于變形鏡的動態校正范圍以及微電極或者分立表面的數目。

2.2系統設計方案

該光學系統首先考慮使用非致冷探測器， 使用變形鏡對感興趣的視場進行像差校正。 選用較大的視場15°( 即±7.5°)， 工作譜段8～12 μm。F/2， 焦距70 mm， 透鏡的材料選擇常用的鍺。 考慮到設計、 加工、 裝調等對光學系統引入的像差， 設計了一套光學傳遞函數低于衍射極限的光學系統。 系統焦距由兩片正光焦度球面透鏡以及一片負光焦度球面透鏡組成， 組成元件力求簡單, 變形鏡放在像面附近。 不同視場角的光線經過透鏡組透射到變形鏡上， 變形鏡補償波前的位相差后將光線反射到像面。

2.3仿真驗證

采用變形鏡作為主動光學元件對小凹成像光學系統進行設計和仿真， 驗證其局部高分辨率的成像特性。 首先對連續表面的變形鏡進行建模。 待校正的波前可以使用澤尼克正交多項式分解為不同的階次， 也可以利用澤尼克多項式來構建澤尼克面形來補償波前畸變。 在光學系統的像差中,初級像差易于校正,高級像差在校正過程中很少變化, 其值近似于常量。 標準澤尼克多項式1～41項系數與初級像差有著一定的對應關系， 而41～66項與高階像差有著對應關系。 利用澤尼克多項式的前41項系數作為變量來構建澤尼克多項式即可較精確且快速地模擬出變形鏡的表面。

未加入變形鏡校正時， 初始系統的球面透鏡參數及光路圖分別如表1和圖2所示。 初始系統中各視場角的MTF 曲線如圖3所示, 可以看出未加入變形鏡校正時, 系統各個視場的MTF 曲線比較差。 但是各個視場角的波像差和MTF 值基本是均勻的。 可以認為,初始系統在全視場獲得一個比較均勻的成像質量。

表1　初始系統三片球面透鏡參數

圖2　未使用變形鏡校正時光路示意圖

圖3未校正時系統調制傳遞函數曲線

在初始系統的基礎上, 在像面附近引入變形鏡， 分別對0°， 5.3°和7.5°三個視場進行相位補償， 其視場光瞳圖及傳遞函數曲線如圖4～9所示。 從圖中可看出， 使用變形鏡校正0°， 5.3°和7.5°三個不同視場的像差后， 其MTF 曲線幾乎達到或者接近衍射極限， 而其余的視場傳遞函數值均較低。

圖4　使用變形鏡校正0°視場光瞳圖

圖5　單獨校正0°視場傳遞函數曲線

圖6　使用變形鏡校正5.3°視場光瞳圖

圖7　單獨校正5.3°視場傳遞函數曲線

圖8　使用變形鏡校正7.5°視場光瞳圖

圖9單獨校正7.5°視場傳遞函數曲線

校正前后光瞳處不同視場處波像差比較如表2所示。 從表2可以看出， 在對三個視場單獨進行校正時， 感興趣視場處在中心波長的波像差的均方根值(RMS) 均在0.01λ或者0.001λ數量級， 其余視場處的RMS均大于0.1λ， 實現了感興趣視場處像差小于其他視場的像差分布； 初始系統光瞳處的波像差在各個視場的RMS值都大于0.1λ， 變形鏡的使用可以調制至少0.09λ的波像差， 而在該系統中， 變形鏡調制的最大波像差約為0.3λ。 引入變形鏡后的光學系統可以實現局部高分辨率成像, 其余視場低分辨率成像。

利用CODEV 軟件的二維圖像仿真功能， 對上述小凹成像系統進行成像仿真模擬， 其仿真成像對比圖如圖10(a)～(e)所示。 可以看到初始系統所成像較模糊， 從像仿真圖以及三個視場處不同像素處的灰度值曲線可以看出， 校正后感興趣視場處亮度變化與校正之前相比較為顯著。 該像仿真模擬了變形鏡對不同視場像差校正后的成像效果， 即變形鏡可以對感興趣的視場進行像差校正， 實現局部視場高分辨率成像， 而其余視場低分辨率成像。

表2　校正前后光瞳處不同視場處波像差比較

圖10小凹成像光學系統仿真成像對比圖

3　結　　論

小凹成像光學系統是未來解決大視場、 高分辨率、 輕小型成像應用需求的最有潛力的方案之一。 本文對小凹成像光學系統的成像原理及設計理論進行了詳細的闡述。 結合理論指導， 設計了應用于紅外波段大視場的基于變形鏡的小凹成像光學系統。 光學系統傳遞函數曲線、 光程差(OPD)曲線以及成像仿真圖像表明,變形鏡能夠根據需要對指定視場的像差進行動態校正并實現高分辨率成像， 進而擴大成像光學系統的視場。 在溫度變化較大的環境中紅外成像光學系統像質可能受到的影響與消除方法以及變形鏡反射效率對光學系統透過率的影響是進一步的研究方向。

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Design of Infrared Foveated Imaging System Based on Bionic Eye

Lü Fengxian1， Chang Jun1， Zhang Yunqiang1， 2

(1. School of Optoelectronic， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China；2. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)

Foveated optical imaging system is one of the most potential approaches in the future to solve the application requirements of wide field of view, high resolution and light small imaging. Based on the principle of foveated imaging， a wide-field-of-view imaging system applied in infrared band is designed and analyzed by comparing the image quality with and without deformable mirror, which is used as an active optical element to correct the wavefront aberrations at the field of interest to get high resolution imaging, and the whole field of view is imaged with a low resolution at the same time.

foveated imaging; infrared band; wide field of view; high resolution; deformable mirror

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.011

2016-01-23

航空科學基金項目(20150172002)

呂鳳先(1981-)， 女， 吉林德惠人， 研究生， 研究方向為新型光學系統設計和檢測。

TN214

A

1673-5048(2016)03-0049-05