一种高分辨率红外成像光学系统及成像方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高分辨率红外成像光学系统，包括沿光轴方向依次设置的前置光学系统、滤光系统、微透镜阵列、后组光学系统和探测器焦平面阵列，微透镜阵列平行设置在前置光学系统的后焦面上，滤光系统为一片设置有多个阴影区域和透明区域的平板透镜，所述的微透镜阵列与滤光系统平行，由多个拼接在一起的微透镜组成，所述的探测器焦平面阵列由多个拼接在一起的像元组成，像元和微透镜以及透明区域一一对应，前置光学系统和滤光系统之间还设置有调制系统；还公开了其成像方法；本发明专利技术结构简单、易于加工，在不需要运动部件的情况下可以实现红外高分辨率成像，可以实现超大的孔径角；特别适合于红外波段，能有效解决红外成像系统中分辨率低下的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于红外光学成像
，具体涉及一种高分辨率红外成像光学系统及成像方法。
技术介绍
许多应用中都需要采集高分辨率的图像，从而可以获得目标场景更多的细节信息。为了获得更多的目标信息，通常的解决方案是采用焦距更长的光学系统。然而，在一定条件下，随着焦距的变长光学系统的视场也会降低；另一方面，如果采用一个视场角非常大的光学系统则必然会造成目标的分辨率降低，这种情况在红外成像系统中更加突出。目前红外探测器的分辨率普遍都比可见光探测器的分辨率低很多，红外探测器的像元尺寸目前通常在10μm以上，而可见光的像元尺寸可以达到2μm，相对于可见光成像，红外成像在保证较大视场角的情况下获得高分辨率图像会更加困难。例如，在视场角为30度情况下，要实现0.2mrad的角分辨率则需要的探测器分辨率大约为2620*2620，这种分辨率的可见光探测器非常常见，但是对于红外探测器特别是长波红外探测器来说目前还很难稳定实现。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于根据现有技术的不足，提供一种高分辨率红外成像光学系统，利用多次采样技术可实现高分辨率成像和超大视场的超分辨率成像，有效解决红外成像系统的低分辨率缺点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高分辨率红外成像光学系统，包括沿光轴方向依次设置的前置光学系统、滤光系统、微透镜阵列、后组光学系统和探测器焦平面阵列，所述的微透镜阵列平行设置在前置光学系统的后焦面上，所述的滤光系统为一片设置有多个阴影区域和透明区域的平板透镜，所述的微透镜阵列与滤光系统平行，所述的微透镜阵列由多个拼接在一起的微透镜组成，每一个微透镜对应一个透明区域，所述的探测器焦平面阵列由多个拼接在一起的像元组成，每一个像元对应一个微透镜，所述的前置光学系统和滤光系统之间还设置有调制系统。所述的一种高分辨率红外成像光学系统，其阴影区域由设置在平板透镜表面的反射膜形成。所述的一种高分辨率红外成像光学系统，其微透镜阵列和滤光系统之间的距离大于等于微透镜的焦距。所述的一种高分辨率红外成像光学系统，其探测器焦平面阵列设置在后组光学系统后焦面后方的离焦位置上。所述的一种高分辨率红外成像光学系统，其透明区域、微透镜和像元的形状均为正方形。所述的一种高分辨率红外成像光学系统，其后组成像系统包括沿光轴方向依次安装光学聚焦系统、光学中继系统和光圈。本专利技术的目的之二在于提供一种高分辨率红外成像光学系统的成像方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高分辨率红外成像光学系统的成像方法，包括以下步骤：a）、前置光学系统将目标场景的红外辐射聚焦到位于后焦面的滤光系统上；b）、滤光系统通过透明区域对目标场景的红外辐射选择性通过；c）、微透镜将透过对应的透明区域的光转变为平行光并传输到后组光学系统中；d）、后组光学系统将接收到的光聚焦到其焦平面上，透过每个微透镜的红外辐射在经过聚焦后传输到探测器焦平面上时离散开覆盖一个红外探测器像元；e）、调制系统控制目标场景在前置光学系统的后焦面上成的像沿着水平和垂直方向进行平移；f）、滤光系统中的每个透明区域都对其附近区域的红外辐射进行多次采样，依次获得的数据为I1、I2、I3、……、Ix，从而采用了M*N分辨率的红外探测器可以获得x1/2M*x1/2N分辨率的图像。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术系统结构简单、易于加工，在不需要运动部件的情况下可以实现红外高分辨率成像；（2）本专利技术系统可以实现超大的孔径角；（3）本专利技术系统成本低特别适合于红外波段，有效解决了红外成像系统中分辨率低下的问题。附图说明图1是本专利技术系统的结构示意图；图2是本专利技术系统的工作原理示意图。各附图标记为：1—前置光学系统，2—滤光系统，20—透明区域，3—微透镜阵列，30—微透镜，4—后组光学系统，5—探测器焦平面阵列，50—像元，6—调制系统。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。参照图1所示，作为基本的实施例，本专利技术公开了一种高分辨率红外成像光学系统，包括沿光轴方向依次设置的前置光学系统1、滤光系统2、微透镜阵列3、后组光学系统4和探测器焦平面阵列5，所述的前置光学系统1用于将目标场景辐射的红外辐射收集并聚焦，是一种通用的光学组件，其可以根据需要透过的红外波段范围来进行设计，其放大倍率、孔径角通常是根据具体的应用范围进行设定；所述的微透镜阵列3平行设置在前置光学系统1的后焦面上，所述的滤光系统2为一片设置有多个阴影区域和透明区域20的平板透镜，所述的微透镜阵列3与滤光系统2平行，所述的微透镜阵列3由多个拼接在一起的微透镜30组成，滤光系统2中的透明区域20的分布情况和微透镜30的分布情况一样，每一个微透镜30对应一个透明区域20，所述的后组光学系统4用于将透过微透镜阵列3的红外辐射聚焦到探测器焦平面阵列5上，所述的探测器焦平面阵列5由多个拼接在一起的像元50组成，每一个像元50对应一个微透镜30，各个微透镜30的像都对应于各个像元50，所述的前置光学系统1和滤光系统2之间还设置有调制系统6，所述的调制系统6可以控制目标场景在前置光学系统1的后焦面上成的像沿着水平和垂直方向进行平移。参照图2所示，作为本专利技术进一步的实施例，所述的阴影区域为设置在平板透镜表面的反射膜，反射膜镀在平板透镜的上部分区域，反射膜的存在使得有些区域能够透过辐射光，而有些区域则不能透过辐射光，其中透明区域20有规律的矩阵式分布，此外镀膜厚度非常薄，几乎可以忽略不计。更进一步，所述的微透镜阵列3由一系列在二维平面方向上周期分布的微透镜30拼接组合在一起，相邻的微透镜30相互之间毗连在一起，它们具有相同的焦距 f 。更进一步，微透镜阵列3中的微透镜30的分布以及滤光系统2中的透明区域20的分布是根据探测器焦平面阵列5上的各个像元50的分布来确定。微透镜30的形状和透明区域20的形状都和探测器焦平面阵列5上的像元50的形状一样。再进一步，微透镜阵列3的安装在前置光学系统1的后焦面后面的某个位置，所述的微透镜阵列3和前置光学系统1的后焦面之间的距离定义为d ，并且d 的大小等于微透镜30的焦距 f 。再进一步，所述的后组成像系统4沿着光轴的方向安装在微透镜阵列3的后方，后组成像系统4前表面距离微透镜阵列3的距离可以在合理的范围内随意设置。再进一步，所述的后组成像系统4主要包括沿着系统光轴方向依次安装光学聚焦系统、光学中继系统和光圈。其中，光学聚焦系统可以由一块大横断面尺寸的正透镜来实现；光圈用于调节系统光圈大小，最终可以控制系统入瞳大小；光学中继系统结合光学聚焦系统用于将透过微透镜阵列3的红外辐射聚焦到焦平面PS上。本专利技术的成像方法，包括以下步骤：a）、前置光学系统1将目标场景的红外辐射聚焦到位于后焦面的滤光系统2上。b）、滤光系统2利用设置在其上的按规律排列的透明区域20对目标场景的红外辐射进行选择性通过，也可以称为“采样”，采样间隔为T，同时，透明区域20的尺寸决定了每个采样点的传递函数H。c）、微透镜阵列3中的微透镜30和滤光系统2中的透明区域20一一对应，将透过透明区域20的光转变为平行光并传输到后组光学系统4中。d）、后组光学系统4将接收到的光聚焦到其焦平面上，红外探测器焦平面在后组光学系统4的焦平面后方离焦位置，这样可以使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高分辨率红外成像光学系统，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的前置光学系统（1）、滤光系统（2）、微透镜阵列（3）、后组光学系统（4）和探测器焦平面阵列（5），所述的微透镜阵列（3）平行设置在前置光学系统（1）的后焦面上，所述的滤光系统（2）为一片设置有多个阴影区域和透明区域（20）的平板透镜，所述的微透镜阵列（3）与滤光系统（2）平行，所述的微透镜阵列（3）由多个拼接在一起的微透镜（30）组成，每一个微透镜（30）对应一个透明区域（20），所述的探测器焦平面阵列（5）由多个拼接在一起的像元（50）组成，每一个像元（50）对应一个微透镜（30），所述的前置光学系统（1）和滤光系统（2）之间还设置有调制系统（6）。

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率红外成像光学系统，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的前置光学系统（1）、滤光系统（2）、微透镜阵列（3）、后组光学系统（4）和探测器焦平面阵列（5），所述的微透镜阵列（3）平行设置在前置光学系统（1）的后焦面上，所述的滤光系统（2）为一片设置有多个阴影区域和透明区域（20）的平板透镜，所述的微透镜阵列（3）与滤光系统（2）平行，所述的微透镜阵列（3）由多个拼接在一起的微透镜（30）组成，每一个微透镜（30）对应一个透明区域（20），所述的探测器焦平面阵列（5）由多个拼接在一起的像元（50）组成，每一个像元（50）对应一个微透镜（30），所述的前置光学系统（1）和滤光系统（2）之间还设置有调制系统（6）。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率红外成像光学系统，其特征在于，所述的阴影区域由设置在平板透镜表面的反射膜形成。3.根据权利要求1所述的一种高分辨率红外成像光学系统，其特征在于，所述的微透镜阵列（3）和滤光系统（2）之间的距离大于等于微透镜（30）的焦距。4.根据权利要求1所述的一种高分辨率红外成像光学系统，其特征在于，所述的探测器焦平面阵列（5）设置在后组光学系统（4）后焦面后方的离焦位置上。5.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张智杰，郭良贤，赵坤，余徽，孙伟，岳松，
申请(专利权)人：湖北久之洋红外系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42