基于仿生眼的红外小凹成像系统设计

吕凤先， 常　军， 张运强， 2

(1. 北京理工大学 光电学院， 北京　100081； 2. 中国空空导弹研究院， 河南 洛阳　471009)



基于仿生眼的红外小凹成像系统设计

吕凤先1， 常军1， 张运强1， 2

(1. 北京理工大学 光电学院， 北京100081； 2. 中国空空导弹研究院， 河南 洛阳471009)

小凹成像光学系统是未来解决大视场、高分辨率、轻小型成像应用需求的最有潜力的方案之一。本文对小凹成像光学系统的成像原理及设计理论进行了详细的阐述,设计了一套应用于长波红外波段的大视场基于变形镜的小凹光学系统,并在此基础上对系统性能进行分析和对比。采用基于变形镜进行相位补偿的小凹成像光学系统可以随时得到感兴趣视场的高分辨率成像,并同时对全视场以较低的分辨率成像。

小凹成像;红外波段;大视场;高分辨率;变形镜

0　引　　言

为了能够在不同的光照条件下实现最佳的态势感知和目标识别， 需要使用大视场、 高分辨率的快速轻小型成像系统来获得足够大的视场和足够详细的目标信息。 在传统的成像光学系统中， 为了同时获得大视场和较高成像质量， 通常采用减小入瞳直径和增加光学元件或使用特殊光学元件的方法[1]。 然而减小入瞳直径的同时会降低像平面的光照度； 增加光学元件会使系统体积、 重量增加； 使用特殊光学元件将提高加工与装调的难度。 轻小型化、 高分辨率和可用视场之间的矛盾需要新的方法来平衡[2]。 小凹成像光学系统模拟人眼成像系统的特性， 既可以为目标探测实现大视场的全局成像， 又可以为目标细节的辨别实现高分辨率的局部成像。 同时小凹光学系统也兼顾了小型化、 数据传输量低的优势。

1　研究背景

1.1小凹成像原理

小凹成像的设计概念， 来自于人眼视网膜上的可变空间分辨率。 人的眼睛本身相当于一个光学成像仪器， 外表大体为球形， 内部构造如图1所示。

图1人眼结构示意图

人眼是典型的具有大视场、 区域高分辨率的成像光学系统， 视网膜是人眼中的“可见光传感器”， 其上面的感光细胞分布是不均匀的。 视网膜上黄斑的中央有一个直径0.3 mm的区域， 密集了大量的感光细胞， 是视网膜上视觉最灵敏的区域。 在这个区域周围， 分辨率随着视场的增大而逐渐降低[3]。 在观察物体时， 人眼凝视在感兴趣的区域， 并将感兴趣区域成像在中央凹处来获得最高的分辨率； 其周围区域随着对凝视区域的偏离， 分辨率会逐渐降低， 当眼睛观察外界物体时， 通过转动眼球， 使像成在中央凹上， 这样视场内任何区域均可以被高分辨地予以观察。

1.2国外小凹成像发展简述

Martinez等人在光学系统中模仿人眼小凹成像的概念， 提出了一个在全视场内具有可变分辨率的紧凑的广角镜头来减小大视场光学系统的复杂程度和规模[4]。 通过在孔径光阑处放置空间光调制器来选择性地校正感兴趣视场的像差， 在感兴趣区域外的其他视场处产生模糊的像。 通过调整空间光调制器引入的光程差， 可以在视场内动态转换感兴趣区域并消除期望视场点的波前像差。

Martinez等提出的小凹光学系统与一个高分辨率扫描成像仪叠加到一个低分辨率的广角凝视成像仪的系统相似[5]， 但与之不同的是， 其不需要机械转换视场。 因而这样的混合镜头有潜力降低大视场光学系统的复杂度和规模。

上述小凹成像的概念随后得到同一个研究组的证实， 该研究组首次展示了使用液晶空间光调制器实现小凹成像的小孔径小视场的光学系统[6]。 为了能够在较大的视场中实现像差校正并保证体积小型化， George等人尝试使用透射式液晶空间光调制器来代替反射式空间光调制器[7]。 该研究也对透射式空间光调制器存在的问题， 例如由其结构引起的衍射效应对于光能量的传输、 零级衍射效率以及像质的影响进行了分析与讨论。

空间光调制器等主动光学元件可应用在不同的环境中对光学系统的像差进行校正， 当温度变化的范围很大时， 如10～90 ℃， 液晶的衍射效率变化非常大， 从98.7%到27.2%[8]。 为了避免此元件引起的误差， 新的变形镜技术成为替代产品之一， 对元件在太空环境下测试， 变形镜的反射性质、 扭转角度的精度等决定其性能的量并没有受到冲击、 震动、 湿度以及压力等太空环境的影响[9]。 该结果表明在复杂的环境中使用变形镜校正光学系统的像差优于空间光调制器。 文献[10]尝试了将微机械变形镜的位移冲程从2 μm提高到了10 μm， 以扩展其在天文及视网膜成像领域的应用。

本文的研究内容也是基于Martinez提出的小凹成像的基本概念展开， 结合变形镜环境适应性较强的特点， 设计并分析了在红外波段中实现较大视场的局部高分辨率成像的基于变形镜的小凹光学系统。

2　红外小凹成像系统

自然界的一切物体都辐射红外线， 波长与能量随着物体温度的不同而不同， 这种普遍性与差异性使红外技术获得广泛应用。 在红外成像制导技术中， 主要使用中波红外或长波红外， 光学成像系统与探测系统收集目标信息， 由信息处理系统将图像信息进行处理并传送给制导指令系统， 控制导引头工作。 为获取高精度的导引信息以进行精确制导， 要求红外成像光学系统具备以下特点: 在使用制冷型探测器的红外光学系统中考虑出瞳与冷光阑的匹配； 具有较高的分辨率及稳定的像质； 具有较高的透过率； 受温度影响引起的像质变化较小； 小型化、 轻型化[11]。

在红外导引头成像光学系统中， 已有的提高像质的方法包括超分辨技术以及二元光学元件[12]。 由于噪声的影响， 能被复原和重建的超分辨率信息受到限制[13]。 本文针对实现光学系统较高分辨率的要求提出了使用基于变形镜的大视场局部高分辨率的小凹光学系统。 相比于之前的两种方法， 变形镜不需要进行后期的图像处理，只需要针对不同的波前相位分布来控制变形镜的形变， 进而进行位相补偿， 因而基于变形镜的小凹成像光学系统在提高成像质量的同时可以减少系统校正像差的时间。 同时， 使用变形镜来校正光学系统的像差可以兼顾高分辨率、 较高的系统透过率以及小型化、 轻型化的需求。

2.1关键元器件——变形镜

变形镜通过控制电压或电场等物理量来控制光的传播路径进而调制波前位相分布。 对于膜表面微机械变形镜， 可对不同位置处的微电极施加一定的电压来改变膜表面的变形量， 进而通过改变光线传播的几何路径而控制光程差。 由于像差是视场角和孔径的函数， 在每一个时刻， 只有一个视场角以及其周围一定区域的像差能够被校正， 而这个周围区域的大小取决于其像差的大小及应用环境所决定的需要校正像差的程度。 由于每个视场角处的像差可以通过光线追迹或直接测量得到， 所需控制变形镜形变的电压可以提前计算并预先保存于表格中， 当需要校正特定视场的像差时， 从表格中提取数据即可。 微机械变形镜通过校正像差来扩大视场的能力取决于变形镜的动态校正范围以及微电极或者分立表面的数目。

2.2系统设计方案

该光学系统首先考虑使用非致冷探测器， 使用变形镜对感兴趣的视场进行像差校正。 选用较大的视场15°( 即±7.5°)， 工作谱段8～12 μm。F/2， 焦距70 mm， 透镜的材料选择常用的锗。 考虑到设计、 加工、 装调等对光学系统引入的像差， 设计了一套光学传递函数低于衍射极限的光学系统。 系统焦距由两片正光焦度球面透镜以及一片负光焦度球面透镜组成， 组成元件力求简单, 变形镜放在像面附近。 不同视场角的光线经过透镜组透射到变形镜上， 变形镜补偿波前的位相差后将光线反射到像面。

2.3仿真验证

采用变形镜作为主动光学元件对小凹成像光学系统进行设计和仿真， 验证其局部高分辨率的成像特性。 首先对连续表面的变形镜进行建模。 待校正的波前可以使用泽尼克正交多项式分解为不同的阶次， 也可以利用泽尼克多项式来构建泽尼克面形来补偿波前畸变。 在光学系统的像差中,初级像差易于校正,高级像差在校正过程中很少变化, 其值近似于常量。 标准泽尼克多项式1～41项系数与初级像差有着一定的对应关系， 而41～66项与高阶像差有着对应关系。 利用泽尼克多项式的前41项系数作为变量来构建泽尼克多项式即可较精确且快速地模拟出变形镜的表面。

未加入变形镜校正时， 初始系统的球面透镜参数及光路图分别如表1和图2所示。 初始系统中各视场角的MTF 曲线如图3所示, 可以看出未加入变形镜校正时, 系统各个视场的MTF 曲线比较差。 但是各个视场角的波像差和MTF 值基本是均匀的。 可以认为,初始系统在全视场获得一个比较均匀的成像质量。

表1　初始系统三片球面透镜参数

图2　未使用变形镜校正时光路示意图

图3未校正时系统调制传递函数曲线

在初始系统的基础上, 在像面附近引入变形镜， 分别对0°， 5.3°和7.5°三个视场进行相位补偿， 其视场光瞳图及传递函数曲线如图4～9所示。 从图中可看出， 使用变形镜校正0°， 5.3°和7.5°三个不同视场的像差后， 其MTF 曲线几乎达到或者接近衍射极限， 而其余的视场传递函数值均较低。

图4　使用变形镜校正0°视场光瞳图

图5　单独校正0°视场传递函数曲线

图6　使用变形镜校正5.3°视场光瞳图

图7　单独校正5.3°视场传递函数曲线

图8　使用变形镜校正7.5°视场光瞳图

图9单独校正7.5°视场传递函数曲线

校正前后光瞳处不同视场处波像差比较如表2所示。 从表2可以看出， 在对三个视场单独进行校正时， 感兴趣视场处在中心波长的波像差的均方根值(RMS) 均在0.01λ或者0.001λ数量级， 其余视场处的RMS均大于0.1λ， 实现了感兴趣视场处像差小于其他视场的像差分布； 初始系统光瞳处的波像差在各个视场的RMS值都大于0.1λ， 变形镜的使用可以调制至少0.09λ的波像差， 而在该系统中， 变形镜调制的最大波像差约为0.3λ。 引入变形镜后的光学系统可以实现局部高分辨率成像, 其余视场低分辨率成像。

利用CODEV 软件的二维图像仿真功能， 对上述小凹成像系统进行成像仿真模拟， 其仿真成像对比图如图10(a)～(e)所示。 可以看到初始系统所成像较模糊， 从像仿真图以及三个视场处不同像素处的灰度值曲线可以看出， 校正后感兴趣视场处亮度变化与校正之前相比较为显著。 该像仿真模拟了变形镜对不同视场像差校正后的成像效果， 即变形镜可以对感兴趣的视场进行像差校正， 实现局部视场高分辨率成像， 而其余视场低分辨率成像。

表2　校正前后光瞳处不同视场处波像差比较

图10小凹成像光学系统仿真成像对比图

3　结　　论

小凹成像光学系统是未来解决大视场、 高分辨率、 轻小型成像应用需求的最有潜力的方案之一。 本文对小凹成像光学系统的成像原理及设计理论进行了详细的阐述。 结合理论指导， 设计了应用于红外波段大视场的基于变形镜的小凹成像光学系统。 光学系统传递函数曲线、 光程差(OPD)曲线以及成像仿真图像表明,变形镜能够根据需要对指定视场的像差进行动态校正并实现高分辨率成像， 进而扩大成像光学系统的视场。 在温度变化较大的环境中红外成像光学系统像质可能受到的影响与消除方法以及变形镜反射效率对光学系统透过率的影响是进一步的研究方向。

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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

航空科学基金项目(20150172002)

吕凤先(1981-)， 女， 吉林德惠人， 研究生， 研究方向为新型光学系统设计和检测。

TN214

A

1673-5048(2016)03-0049-05