Una revisión de la tecnología de imágenes infrarrojas atermalizadas basada en codificación de frente de onda
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- 2022/2/17
Resumen
En este artículo, se estudian la teoría y el método de imágenes infrarrojas codificadas por frente de onda y se desarrollan varios prototipos de sistemas de imágenes infrarrojas codificadas por frente de onda.
La tecnología de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda es una tecnología de imágenes ópticas computacionales que combina imágenes en dos pasos de codificación óptica y decodificación digital. El sistema de imágenes infrarrojas de atermalización con codificación de frente de onda codifica y modula la radiación infrarroja de la escena agregando una placa de fase óptica de superficie especial cerca de la apertura del sistema óptico infrarrojo para que se pueda obtener la salida del detector de plano focal infrarrojo en un amplio rango de temperatura ambiente. La imagen codificada intermedia es muy consistente y luego la imagen codificada intermedia se decodifica digitalmente para obtener una imagen infrarroja clara.
En los últimos años, académicos nacionales y extranjeros han llevado a cabo una gran cantidad de análisis teóricos y verificación de principios de la tecnología de imágenes infrarrojas atérmicas codificadas por frente de onda, demostrando la efectividad de sus características de atermalización. Con base en el trabajo de investigación reciente sobre la tecnología de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda, el autor presenta los antecedentes de la investigación de la tecnología de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda, los resultados de la investigación obtenidos en los últimos años y pronostica el valor de la aplicación y la tendencia de desarrollo de la tecnología de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda.
Cifra. 1 Diagrama de enlace de imágenes infrarrojas codificadas por frente de onda.
La tecnología de imágenes infrarrojas se utiliza ampliamente en vigilancia de seguridad, exploración espacial, inspección industrial y otros campos. El sistema de imágenes infrarrojas se compone principalmente de un sistema óptico infrarrojo y un detector de infrarrojos, en el que el índice de refracción y el coeficiente de variación de temperatura del material óptico infrarrojo son sensibles a la temperatura ambiente.
El cambio de temperatura ambiente provoca la deformación geométrica y el cambio del índice de refracción de los elementos ópticos del sistema óptico infrarrojo, así como el cambio del intervalo entre los elementos ópticos. El plano produce una desviación posicional axial, fenómeno conocido como "desenfoque térmico".
El desenfoque térmico hace que la imagen de salida del sistema de imágenes infrarrojas sea borrosa, lo que a su vez hace que el sistema de imágenes infrarrojas no funcione correctamente. Para garantizar que el sistema de imágenes infrarrojas funcione normalmente en un amplio rango de temperatura, es necesario eliminar la influencia de los cambios de temperatura ambiente en el sistema óptico infrarrojo, llevar a cabo el diseño atérmico del sistema de imágenes infrarrojas y mejorar la adaptabilidad del sistema infrarrojo. sistema de imágenes a la temperatura ambiente.
En la actualidad, las tecnologías de atermalización comunes incluyen principalmente tecnología electromecánica activa, mecánica pasiva, óptica pasiva, híbrida refractorrefractiva, reenfoque digital y codificación de imágenes de frente de onda.
La primera categoría, electromecánica activa. Esta tecnología obtiene la deriva del plano de la imagen a través de un sensor de temperatura y hace que el detector se mueva a través de un motor para compensar el desenfoque térmico causado por los cambios de temperatura.
La segunda categoría es mecánica pasiva. Esta tecnología utiliza materiales sólidos, materiales plásticos, líquidos, materiales de aleación con memoria, etc. con altas tasas de expansión para hacer que la posición axial del grupo de lentes se mueva bajo cambios de temperatura, compensando así pasivamente el desenfoque térmico causado por los cambios de temperatura y asegurando la superficie de la imagen. . La ubicación no cambia.
La tercera categoría es óptica pasiva. Esta tecnología mantiene la posición óptima del plano de la imagen fija en condiciones de variación de temperatura mediante la combinación adecuada de estructura y material del elemento óptico.
La cuarta categoría es el híbrido doblemente derivado. Esta tecnología utiliza las características complementarias de los elementos difractivos con un coeficiente de diferencia térmica único y un coeficiente de aberración cromática negativo y combina elementos difractivos con elementos refractivos para construir un sistema.
La quinta categoría es el método de reenfoque matemático. Esta tecnología considera que el proceso de restauración de imágenes con desenfoque térmico consiste en agregar un espejo de enfoque digital virtual al sistema óptico infrarrojo para realizar el reenfoque del sistema de imágenes infrarrojas.
La sexta categoría es la tecnología de imágenes de codificación de frente de onda. La tecnología es una técnica de imágenes ópticas computacionales que combina la codificación óptica con la decodificación digital. Como se muestra en la Figura 1, agrega una placa de fase óptica en la pupila de salida o diafragma de apertura del sistema óptico tradicional para que el sistema óptico tenga las características de ser insensible al desenfoque del plano de la imagen, y la distancia media obtenida en un rango de desenfoque térmico relativamente grande La imagen codificada es casi independiente de la posición del plano de la imagen.
Para obtener una salida de imagen clara, la unidad de procesamiento de decodificación matemática utiliza tecnología de restauración de imágenes digitales para decodificar y restaurar digitalmente la imagen codificada intermedia borrosa y eliminar la borrosidad de codificación de la imagen del sistema óptico mediante la placa de fase óptica. Por lo tanto, el sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda puede generar una imagen decodificada por infrarrojos más clara en un rango de desenfoque amplio, eliminar el desenfoque térmico causado por el cambio de la temperatura ambiente y lograr el propósito del procesamiento atérmico.
En resumen, los primeros cuatro tipos de tecnologías pertenecen a la tecnología de atermalización tradicional, centrándose en los medios técnicos de diseño de estructuras óptico-mecánicas; el quinto tipo de método de reenfoque matemático no impone restricciones al sistema óptico infrarrojo y se centra únicamente en el uso de tecnología de procesamiento de información digital.
La tecnología de imágenes infrarrojas de atermalización con codificación de frente de onda integra nuevos dispositivos ópticos y procesamiento de información dos medios técnicos para el diseño de atermalización, encuentra la solución óptima en los dos espacios de la óptica (codificación óptica) y la electricidad (decodificación digital) y logra buenos resultados. El sistema de imágenes infrarrojas no tiene ningún efecto térmico.
El equipo del proyecto ha estado involucrado en la teoría y el método de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda durante mucho tiempo y ha desarrollado varios conjuntos de prototipos de sistemas de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda.
En 2016, el equipo del proyecto desarrolló un conjunto de sistemas de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda utilizando material infrarrojo de seleniuro de zinc (ZnSe) como placa de fase óptica (ver Figura 2), y su codificación óptica adopta la placa de fase cúbica de material ZnSe (ver Figura 3). ), el rango de temperatura de funcionamiento es de -40 ℃ ~ +60 ℃, la longitud de onda de funcionamiento es de 8 ~ 12 µm, la longitud focal es f=65 mm, el número F es 1,0, el rango de campo de visión es 6°x8°, y la matriz de infrarrojos no refrigerada es de 320×240. Detector y llevó a cabo experimentos de verificación de atermalización (ver Figura 4). Se han publicado resultados de investigaciones relevantes en revistas internacionales (Applied Optics, 2016, 55(21): 5715-5720).
Fig. 2 Prototipo de sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda de placa de fase de ZnSe
Cifra. 3 placas de fase de ZnSe sin recubrir (izquierda) y recubiertas (derecha)
Fig.4 Resultados experimentales de atermalización del prototipo de sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda de placa de fase ZnSe
En 2017, el equipo del proyecto desarrolló un sistema de imágenes infrarrojas codificadas por frente de onda con un rango de temperatura atérmica de 110 ℃ (ver Figura 5, izquierda), y su codificación óptica utiliza una placa de fase terciaria de germanio (Ge) (ver Figura 5, derecha). su rango de temperatura de trabajo es de –40 ℃ ~ +70 ℃, distancia focal f=65 mm, número F es 1,0, el campo de visión es 6°×8°; El detector es un detector de infrarrojos no refrigerado con una matriz de área de 320 × 240. El tamaño de píxel es de 38 µm y la banda de trabajo es de 8 ~ 12 µm.
La Figura 6 muestra el efecto de dos conjuntos de imágenes decodificadas a temperatura ambiente, la Figura 7 muestra el dispositivo experimental de alta y baja temperatura utilizado para la verificación de la atermalización y la Figura 8 muestra los resultados experimentales en el objetivo. La Figura 9 muestra los resultados experimentales para el exterior. Se han publicado resultados de investigaciones relevantes en revistas internacionales (Infrared Physics & Technology, 2017, 85, 157-162; Journal of Optics, 2016, 18: 075703).
Fig. 5 Prototipo de sistema de imágenes infrarrojas de onda larga con codificación de frente de onda y placa de fase óptica de material GE
(a) Experimento del grupo 1. Imagen codificada intermedia (izquierda) e imagen decodificada (derecha)
(b) Experimentos del grupo 2. Imagen codificada intermedia (izquierda) e imagen decodificada (derecha)
Cifra. 6 Dos conjuntos de experimentos del prototipo de sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda en condiciones de temperatura normales
El equipo del proyecto utilizó el prototipo del sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda de placa de fase de material de germanio mencionado anteriormente para llevar a cabo un experimento de comparación con el sistema de imágenes infrarrojas ordinario. Tres ventajas:
(1) Funciona bien en un amplio rango de temperatura de 110 ℃;
(2) La profundidad focal del sistema de imágenes se amplía 15,2 veces;
(3) El valor del índice de similitud estructural promedio (MSSIM) de la imagen decodificada y la imagen infrarroja enfocada nítidamente es superior a 0,85.
Fig.7 Configuración experimental para la verificación de la atermalización del prototipo del sistema de imágenes infrarrojas
Fig. 8 Resultados del experimento objetivo de verificación de atermalización
Fig. 9 Los resultados experimentales de atermalización del prototipo de sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda (placa de fase que contiene material de germanio)
En 2017, el equipo del proyecto desarrolló un sistema de imágenes infrarrojas codificadas por frente de onda de campo amplio y dos lentes (consulte la Figura 10). La placa de fase óptica es del tipo de doble cara (asférica en el frente, cúbica en la parte posterior, ver Figura 11) y el material es Ge. Su campo de visión de trabajo es de 25° en un campo de visión completo y su rango de temperatura de trabajo es de -20 ℃ ~ +70 ℃; su detector es un detector de infrarrojos no refrigerado con una matriz de área de 640 × 512 y el tamaño de píxel es de 17 µm. La banda es de 8~13,5 µm.
La Figura 12 muestra el sitio donde se llevó a cabo el experimento de prueba del campo de visión y la Figura 13 muestra los resultados del experimento de verificación de atermalización. Se han publicado resultados de investigaciones relevantes en revistas internacionales (Infrared Physics & Technology, 2017, 87: 11-21).
Cifra. 10 Un prototipo de un sistema de imágenes infrarrojas codificadas por frente de onda de campo amplio. Izquierda: mapa físico; derecha: modelo optomecánico
Fig. 11 Superficie asférica (izquierda) y superficie cúbica (derecha) de una placa de fase de doble cara
Cifra. 12 Configuración experimental de prueba de campo de visión del prototipo de sistema de imágenes infrarrojas codificadas por frente de onda de amplio campo de visión
Fig. 13 Los resultados experimentales de atermalización del prototipo del sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda de campo amplio y dos lentes.
En 2020, el equipo del proyecto analizó teóricamente el mecanismo de influencia de la desviación digital de la función de dispersión del punto óptico (PSF) en el sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda en la calidad de la imagen decodificada y realizó una evaluación cuantitativa con el índice de similitud estructural media (MSSIM). Se proporciona la configuración experimental (ver Figura 14) y el método de la imagen PSF codificada por frente de onda medida.
La Figura 15 es un ejemplo de la imagen PSF medida. La Figura 16 muestra el efecto de dos conjuntos de imágenes decodificadas usando las imágenes de PSF medidas, mostrando la efectividad del PSF medido. Los resultados de investigaciones relevantes se informan en revistas internacionales (Journal of Optics, 2020, 22: 025703).
Cifra. 14 Diagramas esquemáticos de la imagen PSF medida (arriba) y configuración experimental (abajo)
Cifra. 15 ilustra el flujo de procesamiento de imágenes PSF sin procesar. (a) imagen PSF original; (b) imagen PSF corregida de manera no uniforme; (c) imagen PSF corregida
(a) Experimento del grupo 1. Imagen codificada intermedia (izquierda) e imagen decodificada (derecha)
(b) Experimentos del grupo 2. Imagen codificada intermedia (izquierda) e imagen decodificada (derecha)
Cifra. 16 La imagen PSF medida se utiliza para decodificar la imagen codificada intermedia de la escena exterior.
En resumen, la investigación actual sobre la tecnología de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda en el país y en el extranjero se centra principalmente en el uso de la tecnología de imágenes con codificación de frente de onda para ampliar la profundidad de campo, mejorar el rango de adaptación de temperatura del sistema de imágenes infrarrojas y reducir la aberración de la óptica infrarroja. sistema y reducir todo el sistema de imágenes infrarrojas. El volumen, peso y coste de los sistemas ópticos, centrándose en la simulación y verificación experimental de principios básicos.
En esta etapa, la tecnología de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda tiene los siguientes problemas por resolver:
(1) La tecnología de imágenes de codificación de frente de onda existente es difícil de aplicar al diseño de atermalización del sistema óptico infrarrojo con zoom, lo cual es un problema difícil de resolver. En el proceso de diseño del sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda, se deben considerar parámetros como el sistema óptico infrarrojo ordinario y el rango de temperatura de atermalización.
El zoom continuo del sistema óptico infrarrojo aumentará la dificultad de diseñar los parámetros de la placa de fase óptica, y el zoom continuo del sistema óptico infrarrojo dará como resultado cambios continuos en el PSF óptico, aumentando la dificultad de mantener el núcleo de decodificación digital. "emparejado" con el codificador óptico en el diseño de decodificación digital. El zoom continuo plantea desafíos para el diseño tanto de placas de fase ópticas como de decodificadores digitales.
(2) La evaluación de la calidad de la imagen de la codificación de frente de onda es un problema básico al que se enfrenta la aplicación técnica. En el sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda, el "desajuste" entre la codificación óptica y la decodificación digital en el espacio de información provoca "artefactos" en la imagen decodificada, lo que reduce la resolución de los detalles de la escena. Las aplicaciones tienen distintos grados de impacto. Por lo tanto, combinar la evaluación de la calidad de la imagen de decodificación orientada a una aplicación específica es un problema difícil de resolver.
En el futuro, se espera que la tecnología de imágenes infrarrojas codificadas por frente de onda se aplique en el campo aeroespacial:
(1) La tecnología de imágenes de codificación de frente de onda se utiliza para la atermalización, ligereza y miniaturización de cámaras infrarrojas espaciales.
Para el sistema óptico infrarrojo con una gran apertura y una longitud focal larga, la cantidad de desenfoque es más sensible al cambio de temperatura y la codificación del frente de onda mejora su volumen, peso y costo de manera más obvia. El sistema de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda existente adopta principalmente una estructura transmisiva. Para sistemas de imágenes infrarrojas catadióptricas, de gran apertura y larga distancia focal, se utiliza la tecnología de codificación de frente de onda para reducir el volumen, la calidad y el costo, lo que también merece un estudio en profundidad.
(2) Se espera que la tecnología de imágenes de codificación de frente de onda se utilice en el antiinterferencias del láser del buscador de infrarrojos.
El potente láser dañará la superficie objetivo del detector, provocando deslumbramiento y cegamiento. El codificador óptico puede difundir el punto de luz, debilitar en gran medida la convergencia de energía y desempeñar un papel protector.
La nueva tecnología, el nuevo método y la nueva tecnología de codificación de frente de onda de imágenes infrarrojas en el futuro también merecen una exploración e investigación en profundidad:
(1) Vale la pena explorar e investigar el proceso de laminación de componentes de codificación óptica. El proceso de producción de la placa de fase óptica se completa mediante el proceso de torneado de diamante de un solo punto y la reducción de costos es limitada. Con la popularización del proceso de laminación para lentes infrarrojas domésticas, combinado con el método de compensación de errores de procesamiento en el proceso de decodificación digital de fondo, el proceso de laminación se utiliza para crear el frente de onda. Las placas de fase óptica para codificar sistemas ópticos infrarrojos merecen más estudio.
(3) Vale la pena explorar la introducción del aprendizaje profundo en la tecnología de imágenes infrarrojas con codificación de frente de onda. El procesamiento de decodificación digital del sistema de imágenes infrarrojas de codificación de frente de onda existente generalmente adopta el método del modelo, que generalmente tiene defectos de artefactos graves y amplificación de ruido. La red neuronal profunda tiene una buena capacidad de ajuste de mapeo no lineal y el proceso de decodificación se basa en el aprendizaje profundo. Se espera obtener efectos de imagen mejor decodificados.
(4) Vale la pena explorar e investigar la tecnología de imágenes infrarrojas de súper resolución de codificación de frente de onda. A nivel internacional, ha habido informes sobre el uso de tecnología de codificación de frente de onda para mejorar las cámaras de luz visible, pero no ha habido informes públicos sobre la mejora de la resolución de imágenes de las cámaras infrarrojas.
Explore e investigue nuevos mecanismos, nuevos métodos y nuevas tecnologías para mejorar la resolución de imágenes de las cámaras infrarrojas mediante el uso de codificación de frente de onda. Tiene valor teórico y aplicado. En el futuro, también es una posible dirección de investigación expandir el sistema de imágenes infrarrojas atermalizadas con codificación de frente de onda a un sistema de imágenes infrarrojas codificadas con frente de onda con imágenes de súper resolución al mismo tiempo.
La lente de imagen térmica infrarroja estudiada en este artículo está diseñada y fabricada por Quanhom y puede utilizarse para experimentos y análisis profesionales.
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Fuente de la revista: Ingeniería infrarroja y láser, 2022, 51(1): 20210454. DOI: 10.3788/IRLA20210454
Sobre el Autor:
Primer autor: Shi Zelin
Shi Zelin, Ph.D., investigador del Instituto de Automatización de Shenyang, Academia de Ciencias de China, director del Laboratorio Clave de Procesamiento de Información Optoelectrónica, Academia de Ciencias de China, supervisor doctoral de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y la Universidad de China. Academia de Ciencias. Ha estado involucrado en la investigación de tecnología de la información optoelectrónica durante mucho tiempo y se desempeñó como científico jefe del proyecto del plan 973.
Sus logros ganaron premios de 2 segundos del Premio Nacional de Invención Tecnológica en 2008 y 2017, premio de 1 segundo del Premio Nacional al Progreso de la Ciencia y la Tecnología en 2010, y llevaron a su equipo a ganar 1 Premio al Logro Científico y Tecnológico Destacado de la Academia de Ciencias de China en 2016. Autorizó más de 50 patentes de invención y publicó más de 260 artículos académicos.
Fengbin
Feng Bin, Ph.D., es investigador asociado de la Escuela de Automatización de la Universidad Politécnica Northwestern. En 2011, se quedó en el Instituto de Automatización de Shenyang, de la Academia de Ciencias de China, para trabajar por adelantado. En 2012, se graduó con un doctorado en la Universidad de la Academia de Ciencias de China. En 2018, fue transferido a la Escuela de Automatización de la Universidad Politécnica Northwestern. Se dedica principalmente a imágenes infrarrojas de codificación de frente de onda, medición de temperatura infrarroja, imágenes de polarización, detección de objetivos, aplicaciones de aprendizaje profundo y otros trabajos de investigación.
Presidió más de 10 subtemas del Proyecto Nacional 973, subtemas del Proyecto de la Zona Especial de Innovación, Proyectos Clave del Programa de I+D de la Provincia de Shaanxi y Proyectos del Fondo de Ciencia y Tecnología Aeroespaciales. Se desempeñó como experto en evaluación de cartas de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, miembro del consejo editorial de la revista nacional "Applied Optics", revisor de las revistas "China Laser" y "Optical Journal", y ganó el premio de revisor destacado de China. Revista Láser en 2017 y 2019; Revisor de revistas internacionales de Optics Letters, Journal of Optics, Applied Optics.
Feng Ping
Feng Ping, estudiante de maestría de la Escuela de Automatización de la Universidad Politécnica de Northwestern, ha estado involucrada en la investigación de la tecnología de imágenes infrarrojas de codificación de frente de onda desde 2020. Ha participado en el Fondo de Ciencia y Tecnología Aeroespacial, el Fondo Abierto del Laboratorio Clave de la Academia de Ciencias de China y el proyecto de investigación de emergencia de Prevención y Control de la Nueva Epidemia de Neumonía Coronaria de la Universidad Politécnica del Noroeste.