一种波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统

本发明涉及长波红外波段光学成像，具体涉及一种利用波前编码技术来实现消热差的红外环形孔径折叠成像系统。

背景技术：

1、近年来，随着无人机技术与便携式相机技术的发展，人们对小型化，轻量化，高分辨率的成像光学系统要求越来越高。环形孔径折叠成像技术是光学工程领域的前沿技术，利用同心的反射面多次折叠光路，在减小镜头的光学长度的同时确保了镜头的分辨率和光收集率,与传统折射成像镜头相比，其系统总长显著减小、重量大幅减轻，符合成像光学系统小型化、轻量化和高分辨率的发展趋势。现有的折叠红外成系统采用的红外材料对温度变化敏感，且采用的单一基底材料，不能实现补偿，所以会因为温度变化产生较大的热离焦，严重降低成像质量。因此，需要寻找一种合适的系统及其方法来进一步实现红外光学系统消热差势在必行。

2、参见文献“design of an ultra-thin dual band infrared system,proc.spie9272,optical design and testing vi,92720u(5november 2014)”,ke du,xuemincheng，qichao lv,and yifei hu等人设计了一款中长红外波段3～5μm和8～12μm的四次反射折叠成像系统，采用四个同轴环带形高次非球面反射镜反射光路；但是该系统采用空气为间隔，装配困难且容易产生误差，且没有实现红外系统消热差，对温度变化敏感，成像质量较差。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术无法实现红外系统消热差，对温度变化敏感，成像质量较差的问题，我们发明提出了一种波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统。

2、本发明解决技术问题的技术方案是：

3、一种波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统，其由镜体及分布在镜体两端的的若干镜面以及像面探测器和图像复原单元构成，其特征在于，在镜体进光一侧，自周围至中间依次为分布环带形编码折射镜面、环带形二次反射镜面和环带形四次反射镜面；在镜体出光一侧，自周围至中间依次为环带形一次反射镜面、环带形三次反射镜面和圆环折衍射镜面；像面探测器与圆环折衍射镜面同轴设置，光线最终成像在像面探测器上，图像复原单元与像面探测器相连；

4、系统处于不同温度下时，光线入射到环带形编码折射镜面，然后依次经过环带形一次反射镜面、环带形二次反射镜面、环带形三次反射镜面、环带形四次反射镜面反射，反射光入射到圆环折衍射镜面，光线经过圆环折衍射镜面折衍射到像面探测器，获得不同温度下的编码图像，将编码图像传输给图像复原单元，然后使用编码图像和系统点扩散函数进行图像复原，获得波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统的复原图像。

5、所述环带形编码折射镜镜面面型结构为奇次位相编码板，奇次位相编码板的方程为：

6、z＝α(x3+y3)

7、式中，z为奇次位相编码板面型高度，x，y为奇次位相编码板平面坐标，α为奇次位相编码板面型参数。

8、所述环带形一次反射镜面、环带形二次反射镜面、环带形三次反射镜面和环带形四次反射镜面均为高次非球面，高次非球面公式为：

9、

10、式中，z为高次非球面式高，c为高次非球面顶点处的基本曲率，r为高次非球面上点的径向坐标，k为圆锥曲线常数，a、b、c、d、el为非球面系数。

11、所述圆环折衍射镜面(7)衍射位相方程为：

12、φ(r)＝2π(a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+a5r10l)

13、式中：φ(r)为衍射位相，a1、a2、a3、a4、a5l为衍射位相系数，r为折衍射镜面的径向坐标。

14、图像复原单元使用的算法为lucy-richardson去卷积算法。

15、本发明具有以下有益效果：

16、本发明通过将波前编码技术引入红外环形孔径折叠成像系统，引入了奇次位相编码板对系统光路进行编码，对不同温度下图像进行编码，最后提取系统的编码图像和点扩散函数实现图像复原；该发明在减小红外系统总长的同时，使得成像系统结构紧凑，易于制造，成像质量高，并实现系统消热差。

技术特征：

1.一种波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统，其由镜体(1)及分布在镜体两端的的若干镜面以及像面探测器(8)和图像复原单元(9)构成，其特征在于，在镜体(1)进光一侧，自周围至中间依次为分布环带形编码折射镜面(2)、环带形二次反射镜面(3)和环带形四次反射镜面(4)；在镜体(1)出光一侧，自周围至中间依次为环带形一次反射镜面(5)、环带形三次反射镜面(6)和圆环折衍射镜面(7)；像面探测器(8)与圆环折衍射镜面(7)同轴设置，光线最终成像在像面探测器(8)上，图像复原单元(9)与像面探测器(8)相连；

2.根据权利要求1所述的波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统，其特征在于，环带形编码折射镜面(2)镜面面型结构为奇次位相编码板,奇次位相编码板的方程为：

3.根据权利要求1所述的波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统，其特征在于，环带形一次反射镜面(5)、环带形二次反射镜面(3)、环带形三次反射镜面(6)和环带形四次反射镜面(4)均为高次非球面，高次非球面公式为：

4.根据权利要求1所述的波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统，其特征在于，圆环折衍射镜面(7)衍射位相方程为：

5.根据权利要求1所述的波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统，其特征在于，图像复原单元(9)使用的算法为lucy-richardson去卷积算法。

技术总结一种波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统，涉及长波红外波段光学成像技术领域，为了解决现有技术存在的问题，镜体进光一侧，自外至内依次为分布环带形编码折射镜面、环带形二次反射镜面和环带形四次反射镜面；在镜体出光一侧，自外至内依次为环带形一次反射镜面、环带形三次反射镜面和圆环折衍射镜面；像面探测器与圆环折衍射镜面同轴设置，光线成像在像面探测器上，图像复原单元与像面探测器相连；系统处于不同温度下时，光线入射到环带形编码折射镜面，然后依次反射，光线经过圆环折衍射镜面折衍射到像面探测器，获得不同温度下的编码图像，将编码图像传输给图像复原单元，然后获得波前编码消热差的红外环形孔径折叠成像系统的复原图像。技术研发人员：朴明旭,马德超,赵渊明,董奕洋,孙明远,解娜,金景峰,甄政,张博受保护的技术使用者：长春理工大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29