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本科毕业设计（论文） 开题报告 题目 _可变焦波前编码成像方法研究 ——波前编码技术在红外镜头的应用 专 业 ___测控技术与仪器_____ 姓 名 ______马飞龙_____ 学 号 ____1120122865_______ 班 级 _________ 指导教师 _____董立泉______ 学 院 ____光电学院_____ 2016年 3 月 27 日 一、题目背景和意义 选题背景 光学系统的口径、光阑、焦距等参数决定了该系统的景深或者焦深。大景深或者 大焦深可以更多的获得物空间的相关信息或者抑制离焦带来的像质下降的问题。从上 世纪初开始，人们就开始研究能够扩展系统景深或者焦深的技术。1995年，Colorado 大学的Dowski 和Cathy等人首次提出波前编码技术，该技术简单易用，极大地扩展 了系统景深或者焦深。从此，波前编码技术得到迅速发展，国内外学者对其进行了一 系列系统的研究，并应用到各领域以及各种光学系统中。 国内外研究现状 国外波前编码技术的发展现状 波前编码技术于 1995年由科罗拉多大学的 Dowski 等人首次提出，因此，该技术 在国外发展迅速，且被应用至常见的光学仪器系统。 波前编码技术在红外系统中的应用 完整的红外热成像过程是：空间中景物的红外辐射通过红外光学系统投射到红外焦平面阵列（FPA）上，由红外焦平面阵列转换成一维时间分布的电信号，经过后续信号处理，再现景物的红外辐射场；或者使用光学读出法直接得到目标像[1]。在红外成像的过程中，景物辐射特性、环境温度、大气流动、红外光学系统、焦平面阵列、电子转换电路等都会影响到成像性能。同时，由于红外波段辐射强度较可见光弱，因此红外光学系统尽可能的增大口径，但是增大口径会带来载荷、机械强度、形变、费用等一系列的问题，因此在红外成像系统上使用波前编码技术显得十分重要。 Edward R 等人将波前编码技术应用于红外成像[2]，用来解决温差对红外成像导致的像差变化。他们认为，利用波前编码技术可以减小动态失焦——比如各种像差，它是由于光学系统机械运动导致，或者是光学透镜形变带来的物理性质的变化所导致，亦或者是光学材料的折射率所导致。传统光学系统控制跟温度有关的像差方法有，采用玻璃材料代替塑料；或者采用更昂贵的对温度不敏感的材料，例如 invar 合金；或者采用更灵敏的温控系统。但凡是跟温度有关的像差，无论是已知还是未知，都可以通过波前编码所采用的波前调制和信号处理来控制。 他们认为造成失焦的原因来自一种与众不同的因素，那就是红外光学材料要比可见光材料对温度变化更敏感，例如锗的温度敏感度就是 BK7光学材料的 70倍。而如果没用温控系统，大多数红外系统只能适应 10℃的温度变化，同时温控系统会增加整个系统的费用，尺寸，重量，因此使用波前编码技术代替温控系统显得十分必要[3]。 如图1 所示，温度会影响红外光学系统两个因素的变化，一个是折射率，另一 个是光学透镜的厚度。即使是一幅清晰的图像，在这种温度大幅度变化的环境下也会 出现严重失焦，不过这个失焦的程度是可以计算出来的。 图1 温度对红外透镜的影响 透镜的光焦度可由下式表示， （1） 其中，φ为光学透镜的光焦度，它等于焦距的倒数，T 为温度，n为折射率，α为热膨胀系数，从公式可以看出，焦距的位置变化与温度有关，而这些又与离焦量 W20有关[4]。 红外系统中镜片形状和折射率不仅仅是温度函数的全部自变量因素，同时还包括镜头外壳等机械结构因素。以硅材料透镜在铝制的机械结构中举例说明，透镜焦距10mm，F/#为2，红外 FPA像素尺寸 20μm，波长取 10μm。通过计算，与温度相关的噪声增益曲线如图 2所示，同时该系统的 MTF截止频率对应的值为 0.5。 图 2 温度噪声增益曲线 据此可以得出结论，采用波前编码技术代替昂贵的温控系统而达到更好的成像效果[5]。 Gonzalo Muyo 等人认为传统的三次位相掩模板的波前编码技术虽然可以扩大景深范围，简化光学系统结构等，但对于红外成像系统，由于热噪声的特点，传统的方法就不适用了。为此，他们提出了单重光瞳编码的概念[6]。他们认为，传统波前编码技术的相位板面型函数为 ，其中α为决定相位板面型的参数，合适的值可以使得光学系统的点扩散函数（PSF）、信息度等在失焦的情况下保持不变。近年来，波前编码相位掩模板面型研究已经扩展到更一般的表面，在空间域中，PSF与 Strehl 比在离焦情况下都可以保持不变[4