Un examen de la technologie d'imagerie infrarouge athermalisée basée sur le codage du front d'onde

La technologie d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde est une technologie d'imagerie optique informatique qui combine l'imagerie en deux étapes du codage optique et du décodage numérique. Le système d'imagerie infrarouge à athermalisation et codage de front d'onde code et module le rayonnement infrarouge de la scène en ajoutant une plaque de phase optique de surface spéciale à proximité de l'ouverture du système optique infrarouge de sorte que la sortie du détecteur de plan focal infrarouge puisse être obtenue dans une large plage de température ambiante. L'image codée intermédiaire est hautement cohérente, puis l'image codée intermédiaire est décodée numériquement pour obtenir une image infrarouge claire.

Ces dernières années, des chercheurs nationaux et étrangers ont effectué un grand nombre d'analyses théoriques et de vérification des principes de la technologie d'imagerie infrarouge athermique codée par front d'onde, démontrant l'efficacité de ses caractéristiques d'athermalisation. Sur la base des travaux de recherche récents sur la technologie d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde, l'auteur présente le contexte de recherche de la technologie d'imagerie infrarouge à athermalisation de codage de front d'onde, les résultats de recherche obtenus ces dernières années et prévoit la valeur d'application et la tendance de développement de la technologie d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde.

Chiffre. 1 Schéma de liaison de l'imagerie infrarouge codée par front d'onde.

La technologie d’imagerie infrarouge est largement utilisée dans la surveillance de sécurité, l’exploration spatiale, l’inspection industrielle et d’autres domaines. Le système d'imagerie infrarouge est principalement composé d'un système optique infrarouge et d'un détecteur infrarouge, dans lesquels l'indice de réfraction et le coefficient de variation de température du matériau optique infrarouge sont sensibles à la température ambiante.

Le changement de température ambiante provoque la déformation géométrique et le changement d'indice de réfraction des éléments optiques du système optique infrarouge, ainsi que le changement de l'intervalle entre les éléments optiques. Le plan produit une déviation de position axiale, phénomène connu sous le nom de « défocalisation thermique ».

La défocalisation thermique rend l'image de sortie du système d'imagerie infrarouge floue, ce qui à son tour empêche le système d'imagerie infrarouge de fonctionner correctement. Pour garantir que le système d'imagerie infrarouge fonctionne normalement dans une large plage de températures, il est nécessaire d'éliminer l'influence des changements de température ambiante sur le système optique infrarouge, de réaliser la conception athermique du système d'imagerie infrarouge et d'améliorer l'adaptabilité de l'infrarouge. système d’imagerie à la température ambiante.

À l'heure actuelle, les technologies d'athermalisation courantes comprennent principalement la technologie d'imagerie électromécanique active, mécanique passive, optique passive, hybride réfractoréfractive, de recentrage numérique et de codage de front d'onde.

La première catégorie, électromécanique active. Cette technologie obtient la dérive du plan image grâce à un capteur de température et entraîne le détecteur à se déplacer via un moteur pour compenser la défocalisation thermique provoquée par les changements de température.

La deuxième catégorie est la mécanique passive. Cette technologie utilise des matériaux solides, des matières plastiques, des liquides, des matériaux en alliage à mémoire de forme, etc. avec des taux d'expansion élevés pour faire bouger la position axiale du groupe de lentilles sous l'effet des changements de température, compensant ainsi passivement la défocalisation thermique provoquée par les changements de température et garantissant la surface de l'image. . L'emplacement ne change pas.

La troisième catégorie est celle des optiques passives. Cette technologie maintient la position optimale du plan d'image fixée dans des conditions de température variables grâce à la combinaison appropriée de la structure et du matériau de l'élément optique.

La quatrième catégorie est l’hybride pliable-dérivé. Cette technologie utilise les caractéristiques complémentaires des éléments diffractifs avec un coefficient de différence thermique unique et un coefficient d'aberration chromatique négatif et combine des éléments diffractifs avec des éléments réfractifs pour construire un système.

La cinquième catégorie est la méthode de recentrage mathématique. Cette technologie considère le processus de restauration d'image par défocalisation thermique comme l'ajout d'un miroir de focalisation numérique virtuel au système optique infrarouge afin de réaliser la recentrage du système d'imagerie infrarouge.

La sixième catégorie concerne la technologie d’imagerie par codage de front d’onde. La technologie est une technique d’imagerie optique informatique qui combine le codage optique et le décodage numérique. Comme le montre la figure 1, il ajoute une lame de phase optique au niveau de la pupille de sortie ou du diaphragme d'ouverture du système optique traditionnel de sorte que le système optique présente les caractéristiques d'être insensible à la défocalisation du plan image, et la distance moyenne obtenue dans un plage de défocalisation thermique relativement large. L'image codée est presque indépendante de la position du plan image.

Afin d'obtenir une sortie d'image claire, l'unité de traitement de décodage mathématique utilise une technologie de restauration d'image numérique pour décoder et restaurer numériquement l'image codée intermédiaire floue, et supprimer le flou de codage de l'imagerie du système optique par la plaque de phase optique. Par conséquent, le système d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde peut produire une image décodée infrarouge plus claire dans une large plage de défocalisation, éliminer la défocalisation thermique provoquée par le changement de la température ambiante et réaliser l'objectif du traitement athermique.

En résumé, les quatre premiers types de technologies appartiennent à la technologie traditionnelle d'athermalisation, se concentrant sur les moyens techniques de conception de structures optiques-mécaniques ; le cinquième type de méthode de recentrage mathématique n'impose pas de contraintes sur le système optique infrarouge et se concentre uniquement sur l'utilisation de la technologie de traitement de l'information numérique.

La technologie d'imagerie infrarouge d'athermalisation par codage de front d'onde intègre de nouveaux dispositifs optiques et deux moyens techniques de traitement de l'information pour la conception de l'athermalisation, trouve la solution optimale dans les deux espaces de l'optique (codage optique) et de l'électricité (décodage numérique) et obtient de bons résultats. Le système d'imagerie infrarouge n'a aucun effet thermique.

L'équipe du projet s'intéresse depuis longtemps à la théorie et à la méthode d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde et a développé plusieurs ensembles de prototypes de systèmes d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde.

En 2016, l'équipe du projet a développé un ensemble de systèmes d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde utilisant un matériau infrarouge au séléniure de zinc (ZnSe) comme plaque de phase optique (voir Figure 2), et son codage optique adopte la plaque de phase cubique du matériau ZnSe (voir Figure 3). ), La plage de température de fonctionnement est de -40 ℃ ~ + 60 ℃, la longueur d'onde de fonctionnement est de 8 ~ 12 µm, la distance focale est de f = 65 mm, le nombre F est de 1,0, la plage de champ de vision est de 6 ° x 8 °, et le réseau infrarouge non refroidi est de 320 × 240. Détecteur et réalisé des expériences de vérification de l'athermalisation (voir Figure 4). Des résultats de recherche pertinents ont été rapportés dans des revues internationales (Applied Optics, 2016, 55(21) : 5715-5720).

Chiffre. 3 plaques de phase ZnSe non revêtues (à gauche) et revêtues (à droite)

En 2017, l'équipe du projet a développé un système d'imagerie infrarouge codé par front d'onde avec une plage de température athermique de 110 ℃ (voir Figure 5, à gauche), et son codage optique utilise une plaque de phase tertiaire en germanium (Ge) (voir Figure 5, à droite). sa plage de température de fonctionnement est de –40℃~+70℃, la distance focale f=65 mm, le nombre F est de 1,0, le champ de vision est de 6°×8° ; le détecteur est un détecteur infrarouge non refroidi avec une zone de 320 × 240, la taille des pixels est de 38 µm et la bande de travail est de 8 à 12 µm.

La figure 6 montre l'effet de deux ensembles d'images décodées à température ambiante, la figure 7 montre le dispositif expérimental à haute et basse température utilisé pour la vérification de l'athermalisation et la figure 8 montre les résultats expérimentaux sur la cible. La figure 9 montre les résultats expérimentaux pour l'extérieur. Des résultats de recherche pertinents ont été rapportés dans des revues internationales (Infrared Physics & Technology, 2017, 85, 157-162 ; Journal of Optics, 2016, 18 : 075703).

Chiffre. 6 Deux séries d'expériences du prototype de système d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde dans des conditions de température normales

L'équipe du projet a utilisé le prototype de système d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde à plaque de phase en matériau germanium mentionné ci-dessus pour réaliser une expérience de comparaison avec le système d'imagerie infrarouge ordinaire. Trois avantages :

(1) Fonctionne bien dans une large plage de températures de 110 ℃ ;

(2) La profondeur focale du système d'imagerie est augmentée de 15,2 fois ;

(3) La valeur moyenne de l'indice de similarité structurelle (MSSIM) de l'image décodée et de l'image infrarouge nettement focalisée est supérieure à 0,85.

Fig. 9 Résultats expérimentaux d'athermalisation du prototype de système d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde (plaque de phase contenant du germanium)

En 2017, l’équipe du projet a développé un système d’imagerie infrarouge à grand champ et à deux lentilles codé par front d’onde (voir Figure 10). La lame de phase optique est de type double face (asphérique à l'avant, cubique à l'arrière, voir Figure 11) et le matériau est du Ge. Son champ de vision de travail est de 25° dans un champ de vision complet et sa plage de température de fonctionnement est de -20 ℃~+70 ℃ ; son détecteur est un détecteur infrarouge non refroidi avec une zone de 640 × 512 et la taille des pixels est de 17 µm. La bande mesure 8 ~ 13,5 µm.

La figure 12 montre le site où l'expérience de test de champ de vision a été réalisée, et la figure 13 montre les résultats de l'expérience de vérification de l'athermalisation. Des résultats de recherche pertinents ont été rapportés dans des revues internationales (Infrared Physics & Technology, 2017, 87 : 11-21).

Fig. 13 Résultats expérimentaux d'athermalisation du prototype du système d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde à grand champ à deux lentilles

En 2020, l'équipe du projet a théoriquement analysé le mécanisme d'influence de la déviation numérique de la fonction d'étalement du point optique (PSF) dans le système d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde sur la qualité de l'image décodée et a réalisé une évaluation quantitative avec l'indice de similarité structurelle moyenne (MSSIM). La configuration expérimentale (voir Figure 14) et la méthode de l’image PSF codée en front d’onde mesurée sont données.

La figure 15 est un exemple de l'image PSF mesurée. La figure 16 montre l'effet de deux ensembles d'images décodées utilisant les images PSF mesurées, montrant l'efficacité du PSF mesuré. Les résultats de recherche pertinents sont rapportés dans des revues internationales (Journal of Optics, 2020, 22 : 025703).

(b) Expériences du groupe 2. Image codée intermédiaire (à gauche) et image décodée (à droite)

Chiffre. 16 L'image PSF mesurée est utilisée pour décoder l'image codée intermédiaire de la scène extérieure

Pour résumer, la recherche actuelle sur la technologie d'imagerie infrarouge de codage de front d'onde au pays et à l'étranger se concentre principalement sur l'utilisation de la technologie d'imagerie de codage de front d'onde pour étendre la profondeur de champ, améliorer la plage d'adaptation de température du système d'imagerie infrarouge, réduire l'aberration de l'optique infrarouge. Système et réduire l'ensemble du système d'imagerie infrarouge. Le volume, le poids et le coût des systèmes optiques, en mettant l'accent sur la simulation et la vérification expérimentale des principes de base.

À ce stade, la technologie d’imagerie infrarouge à codage de front d’onde doit résoudre les problèmes suivants :

(1) La technologie d’imagerie de codage de front d’onde existante est difficile à appliquer à la conception d’athermalisation du système optique infrarouge zoom, ce qui constitue un problème difficile à résoudre. Dans le processus de conception du système d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde, des paramètres tels que le système optique infrarouge ordinaire et la plage de température d'athermalisation doivent être pris en compte.

Le zoom continu du système optique infrarouge augmentera la difficulté de concevoir les paramètres de la lame de phase optique, et le zoom continu du système optique infrarouge entraînera des changements continus dans la PSF optique, augmentant ainsi la difficulté de conserver le noyau de décodage numérique. « apparié » avec l'encodeur optique dans la conception de décodage numérique. Le zoom continu pose des défis à la conception de plaques de phase optiques et de décodeurs numériques.

(2) L’évaluation de la qualité de l’imagerie du codage du front d’onde est un problème fondamental auquel est confrontée l’application technique. Dans le système d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde, la « non-concordance » entre le codage optique et le décodage numérique dans l'espace d'informations provoque des « artefacts » dans l'image décodée, ce qui réduit la résolution des détails de la scène. Les applications ont différents degrés d’impact. Par conséquent, combiner l’évaluation de la qualité de l’image de décodage spécifique à l’application est un problème difficile à résoudre.

À l’avenir, la technologie d’imagerie infrarouge codée par front d’onde devrait être appliquée au domaine aérospatial :

(1) La technologie d’imagerie par codage de front d’onde est utilisée pour l’athermalisation, la légèreté et la miniaturisation des caméras infrarouges spatiales.

Pour le système optique infrarouge avec une grande ouverture et une longue focale, le degré de défocalisation est plus sensible au changement de température, et le codage du front d'onde améliore plus évidemment son volume, son poids et son coût. Le système d’imagerie infrarouge à codage de front d’onde existant adopte principalement une structure transmissive. Pour les systèmes d’imagerie infrarouge catadioptrique à grande ouverture, à longue focale, la technologie de codage de front d’onde est utilisée pour réduire le volume, la qualité et le coût, ce qui mérite également une étude approfondie.

(2) La technologie d’imagerie par codage de front d’onde devrait être utilisée dans l’anti-brouillage anti-laser à chercheur infrarouge.

Le laser puissant endommagera la surface cible du détecteur, provoquant un éblouissement et un aveuglement. L'encodeur optique peut propager le point lumineux, affaiblir considérablement la convergence énergétique et jouer un rôle protecteur.

La nouvelle technologie, la nouvelle méthode et la nouvelle technologie d’imagerie infrarouge à codage de front d’onde à l’avenir méritent également une exploration et une recherche approfondies :

(1) Le processus de stratification des composants de codage optique mérite d’être exploré et étudié. Le processus de production de la plaque de phase optique est complété par le processus de tournage au diamant en un seul point, et la réduction des coûts est limitée. Avec la vulgarisation du processus de laminage pour les lentilles infrarouges domestiques, combiné à la méthode de compensation des erreurs de traitement dans le processus de décodage numérique back-end, le processus de laminage est utilisé pour créer le front d'onde. Les plaques de phase optiques pour le codage des systèmes optiques infrarouges méritent une étude plus approfondie.

(3) L’introduction de l’apprentissage profond dans la technologie d’imagerie infrarouge à codage de front d’onde mérite d’être explorée. Le traitement de décodage numérique du système d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde existant adopte généralement la méthode modèle, qui présente généralement les défauts d'artefacts graves et d'amplification du bruit. Le réseau neuronal profond a une bonne capacité d'ajustement de cartographie non linéaire et le processus de décodage est basé sur l'apprentissage en profondeur. Il est prévu d'obtenir des effets d'image mieux décodés.

(4) La technologie d’imagerie infrarouge super-résolution de codage de front d’onde mérite d’être explorée et étudiée. À l’échelle internationale, des rapports ont fait état de l’utilisation de la technologie de codage de front d’onde pour améliorer les caméras à lumière visible, mais aucun rapport public n’a été publié sur l’amélioration de la résolution d’imagerie des caméras infrarouges.

Explorez et recherchez de nouveaux mécanismes, de nouvelles méthodes et de nouvelles technologies pour améliorer la résolution d'imagerie des caméras infrarouges en utilisant le codage de front d'onde. Il a une valeur théorique et appliquée. À l'avenir, il s'agit également d'une direction de recherche prospective visant à étendre le système d'imagerie infrarouge athermalisé codé par front d'onde à un système d'imagerie infrarouge codé par front d'onde avec en même temps une imagerie super-résolution.

La lentille d'imagerie thermique infrarouge étudiée dans cet article est conçue et fabriquée par Quanhom et peut être utilisée pour des expériences et des analyses professionnelles.

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Source de la revue : Infrarouge et Laser Engineering, 2022, 51(1) : 20210454. DOI : 10.3788/IRLA20210454

A propos de l'auteur:

Premier auteur : Shi Zelin

Shi Zelin, Ph.D., chercheur à l'Institut d'automatisation de Shenyang, Académie chinoise des sciences, directeur du Laboratoire clé de traitement optoélectronique de l'information, Académie chinoise des sciences, directeur de doctorat à l'Université des sciences et technologies de Chine et à l'Université de Chine Académie des Sciences. Il est engagé depuis longtemps dans la recherche sur les technologies de l'information optoélectroniques et a été le scientifique en chef du projet du plan 973.

Ses réalisations lui ont valu deux deuxièmes prix des National Technological Invention Awards en 2008 et 2017, un deuxième prix du National Science and Technology Progress Award en 2010 et ont conduit son équipe à remporter le premier prix d'excellence scientifique et technologique de l'Académie chinoise des sciences en 2017. 2016. A autorisé plus de 50 brevets d'invention et publié plus de 260 articles universitaires.

Feng Bin

Feng Bin, Ph.D., est chercheur associé à la School of Automation de la Northwestern Polytechnical University. En 2011, il est resté à l'Institut d'automatisation de Shenyang, Académie chinoise des sciences, pour travailler en amont. En 2012, il a obtenu un doctorat de l’Université de l’Académie chinoise des sciences. En 2018, il a été transféré à la School of Automation de la Northwestern Polytechnical University. Principalement engagé dans l'imagerie infrarouge de codage de front d'onde, la mesure de la température infrarouge, l'imagerie de polarisation, la détection de cibles, les applications d'apprentissage en profondeur et d'autres travaux de recherche.

Il a présidé plus de 10 sous-thèmes du projet national 973, des sous-thèmes du projet de zone spéciale d'innovation, des projets du programme clé de R&D de la province du Shaanxi et des projets du Fonds pour la science et la technologie aérospatiales. A été expert en évaluation de lettres de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, membre du comité de rédaction de la revue nationale "Applied Optics", critique des revues "China Laser" et "Optical Journal", et a remporté le prix de critique exceptionnel de Chine. Laser Magazine en 2017 et 2019 ; Réviseur de revues internationales pour Optics Letters, Journal of Optics, Applied Optics.

Fengping

Feng Ping, étudiante à la maîtrise de l'École d'automatisation de la Northwestern Polytechnical University, est engagée dans la recherche sur la technologie d'imagerie infrarouge à codage de front d'onde depuis 2020. Elle a participé au Fonds pour les sciences et technologies aérospatiales, le Fonds ouvert du Laboratoire clé de l'Académie chinoise des sciences et le projet de recherche d'urgence de la prévention et du contrôle de l'épidémie de nouvelle pneumonie coronarienne de l'Université polytechnique du Nord-Ouest.