【摘 要】
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致冷红外光学系统具有大探测距离和高探测灵敏度的特点,因此广泛应用于科研和医学等领域。然而致冷红外光学系统的设计无法避免冷反射现象,致冷红外系统冷反射会在图像中心区域叠加一块黑斑,严重影响成像质量。传统方法仅从光学设计的角度校正冷反射,采用限制系统结构、增加透镜数量或面形复杂度的方法,无疑会增加系统的体积、重量和成本,不利于现代化系统小型化、轻量化。本文提出了一种致冷红外光学系统设计的新方法-光学数
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致冷红外光学系统具有大探测距离和高探测灵敏度的特点,因此广泛应用于科研和医学等领域。然而致冷红外光学系统的设计无法避免冷反射现象,致冷红外系统冷反射会在图像中心区域叠加一块黑斑,严重影响成像质量。传统方法仅从光学设计的角度校正冷反射,采用限制系统结构、增加透镜数量或面形复杂度的方法,无疑会增加系统的体积、重量和成本,不利于现代化系统小型化、轻量化。本文提出了一种致冷红外光学系统设计的新方法-光学数字联合设计,即在前端光学设计阶段不考虑冷反射,而在后端通过本文提出的方法来消除致冷红外系统冷反射所带来的图像模糊。本文首先研究了致冷红外光学系统的设计特点、冷反射的产生机理及分析方法,设计了不考虑冷反射的中波致冷红外光学系统。然后利用杂散光分析软件建立冷反射的追迹模型,来模拟红外图像的冷反射现象,得到辐射出射度大小和范围,再将其与灰度值相对应,以完成真实红外图像的模拟重构。最后通过本文提出的差分阈值法对红外系统冷反射所造成的图像模糊进行消除。为了验证所提方法的可行性,本文首先设计了一个F/2,波段3.7-4.8um,焦距为60mm,全视场角为12度的中波致冷红外光学系统,在设计阶段不考虑冷反射,结构比较简单,所得系统在奈奎斯特频率33lp/mm处,MTF均大于0.45。随后对该系统进行光线追迹,构建冷反射辐射出射度模型,并进行仿真成像,再对成像结果进行计算处理。最后对复原结果进行评价,结果表明使用本方法后分辨率板和红外模拟图像的峰值信噪比分别提升了20.95%和20.85%,结构相似度指数分别提升了3.51%和2.82%,图像质量得到显著改善。该方法能够消除致冷红外光学系统冷反射所造成的图像模糊,实现清晰成像,为解决冷反射问题提供了新的思路。
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