【摘 要】
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图像分辨率是光学成像系统的关键参数,通常取决于像素点的总量与像素密度,同时也会受到探测器像元大小的制约。在红外波段,更换像元更小的探测器获得更高分辨率图像的硬件成本高昂,因此,寻找到一种提高红外成像分辨率的经济性、适用性方法对于红外系统的广泛应用具有积极的意义。本文利用图像超分辨重建的技术手段,基于离焦掩膜方式和波前编码方式,设计实现了超越探测器分辨率极限的红外成像系统。具体研究内容如下:1、基于
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图像分辨率是光学成像系统的关键参数,通常取决于像素点的总量与像素密度,同时也会受到探测器像元大小的制约。在红外波段,更换像元更小的探测器获得更高分辨率图像的硬件成本高昂,因此,寻找到一种提高红外成像分辨率的经济性、适用性方法对于红外系统的广泛应用具有积极的意义。本文利用图像超分辨重建的技术手段,基于离焦掩膜方式和波前编码方式,设计实现了超越探测器分辨率极限的红外成像系统。具体研究内容如下:1、基于离焦掩膜的超分辨方式,设计了一套F数为2、波段范围为3.7-4.8μm的红外成像系统,匹配像元为30μm的制冷型红外探测器。系统采用二次成像结构,并在一次成像光阑共轭处放置掩膜板,便于过滤低频信息。系统在对焦成像时分辨率接近衍射极限;进行超分辨成像时,需离焦使用,并保证-10℃-40℃温度范围内点扩散函数（Point spread function,PSF）基本保持一致,重建中间离焦图像后,获得超越探测器分辨率极限的高分辨图像。2、对设计的中波红外系统的杂散光、冷反射和公差进行分析,满足超分辨成像的要求。根据光学器件的尺寸和位置进行机械结构的设计加工,并完成测试光路的搭建。实验中的探测器分辨率极限为16.7lp/mm,对获取的中间离焦图像进行超分辨重建后,图像分辨率可达42lp/mm,超越了探测器分辨率极限。3、为了验证离焦掩膜实现超分辨方式的波段普适性,设计了一套F数为2、波段范围为7.6-9.3μm的长波红外成像系统,匹配像元尺寸15μm、分辨率极限33lp/mm的制冷型红外探测器。对中间离焦图像重建后分辨率可达45lp/mm,超越了探测器分辨率的极限。4、基于波前编码的超分辨方式,设计了一套F数为2、波段范围为3.7-4.8μm的波前编码系统。利用相位板技术可以简化结构,并且实现-40℃-70℃无热化,同时,对所获取的中间模糊图像进行重建,超越了探测器分辨率极限。为了进一步简化结构,将探测器更换为像元尺寸相似的非制冷型红外探测器,设计了一套基于库克三片式结构、F数为1的中波红外成像系统,实现了-40℃-70℃无热化,并超越了至少两倍探测器分辨率极限。
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