具有扩展景深的热稳定性长波红外（LWIR）光场成像技术：三焦微透镜阵列设计策略

《Optics & Laser Technology》：Thermally robust LWIR light field imaging with extended depth-of-field: Tri-focal microlens array design strategy

红外光场成像技术结合可见光场与红外检测优势，但存在深度场有限和热漂移问题。本文提出基于三焦距微透镜阵列的新型长波红外光场成像方法，通过焦距叠加扩展深度场，并采用被动消热化设计实现-45℃至100℃宽温域稳定，蒙特卡洛分析验证产线合格率达66%以上，为红外3D成像提供理论支撑。

　　

Jie Deng|杨明月吴|Rui Zhang|建宇王|洪星齐

中国杭州高等研究院

摘要

红外光场（IRLF）成像技术结合了光场成像和红外检测的优点。然而，它长期以来一直受到两个主要挑战的困扰：有限的景深和热像差。为了解决这些问题，本文提出了一种基于三焦距微透镜阵列的新型长波红外（LWIR）光场成像方法，该方法显著增强了景深，并在广泛的温度范围内将微透镜阵列的关键光学性能指标的热漂移抑制了96%以上。仿真结果直观展示了该系统出色的扩展景深能力，而空间频率响应（SFR）定量验证了设计原理的有效性。基于行业标准约束的蒙特卡洛容差分析表明，理论上的产率超过66%，证实了该设计的可制造性。这项研究为大景深红外光场3D成像提供了坚实的理论基础。

引言

光场成像被认为是计算成像中一种重要的技术方法，因为它可以在单次曝光中捕获丰富的空间和角度信息[1]、[2]、[3]。Adelson等人[4]首次将空间光信息描述为一个七维函数，后来Levoy等人[5]将其简化为一个适合计算成像的四维光场函数。尽管这个降维的4D模型无法完全描述空间中的所有光线，但它足以完全描述镜头接收到的光线分布，从而推动了计算光场成像技术的发展。

目前的光场成像研究主要集中在可见光谱上，这限制了其在低光照和烟雾等复杂环境中的应用[6]。相比之下，红外光场成像结合了红外和光场成像的优点，能够重建具有热辐射特性的3D场景[7]。例如，Xia等人[8]通过模拟相机阵列实现了红外光场成像和3D场景重建，但他们的方法依赖于移动单个相机来构建阵列，因此仅适用于静态场景。Wang等人[9]提出了一种红外光场中继成像系统，但他们使用的传统聚焦光场结构具有有限的景深，并且没有对系统在广泛温度范围内的热稳定性进行分析。

为了解决景深限制问题，人们广泛探索了主动聚焦策略。Kim等人[10]提出了一种变焦光场相机，通过切换主镜头的焦距来分段覆盖不同的距离范围，有效扩展了可见光谱中的景深；Lei等人[11]利用电调焦距的液晶微透镜阵列实现了景深扩展。最近，Cai等人[12]利用双电调焦透镜（ETLs）通过焦距扫描和堆叠实现了大景深。虽然这些最新的主动方法（包括先进的自适应光学系统）显著提高了成像性能，但它们通常需要复杂的硬件同步和连续电源驱动，限制了它们在被动、低功耗监控应用中的可行性。

在被动方法领域，Li等人[13]使用蒙特卡洛方法提供了一个使用三焦距微透镜阵列扩展景深的概念验证，但他们的研究仅关注视觉效果，并未定量评估系统的光学成像性能。Wang等人[14]通过引入第四个焦距微透镜进一步扩展了系统的景深，但最终分辨率仅为传统相机的18.9%。关于新兴技术，超表面在扩展景深（EDoF）[15]和被动消热[16]方面显示出潜力。然而，尽管它们具有潜力，但目前受到制造复杂性、低宽带效率和孔径尺寸限制的制约。这表明现有研究尚未提供一种在扩展景深、保持合理分辨率和确保热稳定性方面取得良好平衡的长波红外（LWIR）光场成像解决方案。

为了解决这一研究空白，本文提出并设计了一种具有大景深和高热稳定性的三焦距长波红外（LWIR）光场成像系统。在设计层面，我们优化了三种不同焦距微透镜的集成，以实现它们各自景深范围的无缝重叠，从而显著扩展了系统的总景深；同时，采用了被动消热设计，以确保在-45°C到100°C的广泛温度范围内光学性能的稳定性。为了验证设计，我们首先进行了仿真分析。通过光线追踪生成原始光场图像，我们重建了全焦和重新聚焦的图像[17]、[18]、[19]，直观展示了系统的大景深能力。随后，我们使用斜边方法计算了空间频率响应（SFR），定量确认了不同焦距的微透镜在其预设焦平面上表现出不同的响应特性。最后，我们通过蒙特卡洛容差分析评估了设计的可制造性。

章节摘录

光场相机的基本原理

与传统相机仅记录光强度不同，光场相机在单次曝光中捕获光线的空间和角度信息。Ng等人[20]提出的首创型非聚焦光场相机通过在主镜头的焦平面上放置微透镜阵列（MLA），并在MLA的焦平面上放置探测器来实现这一点（图1a）。在这种配置中，主镜头将来自单个物体点的所有光线汇聚到相应的单个微透镜上。

初始系统参数

本研究针对地震废墟搜索和救援等典型应用场景，所设计的长波红外光场成像系统旨在穿透烟雾和灰尘等遮挡物，实现热源的快速3D定位。考虑到景深扩展通常伴随着有效分辨率的降低，因此选择了1440 × 1080像素、像素大小为17 μm的未冷却长波红外焦平面阵列作为系统的探测器。

仿真参数

基于第3节中的系统参数设计结果，本文建立了一个具有高热稳定性的三焦距长波红外光场相机的仿真模型。该设计的操作波长范围为8 μm至12 μm，选择了8.0 μm、10.0 μm和12.0 μm作为代表性波长。10 μm被设定为中心波长，所有性能指标都是在该加权光谱下的综合结果。为了简化分析并隔离

结论

本文通过成功设计和验证了一种具有扩展景深和高热稳定性的三焦距LWIR光场成像系统，解决了长波红外（LWIR）光场成像中有限的景深（DoF）和热不稳定性的双重挑战。本研究的核心贡献如下：首先，通过建立虚拟深度、景深（DoF）和有效分辨率之间的定量关系，我们优化了三焦距系统的设计

CRediT作者贡献声明

Jie Deng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，软件，数据管理。Yang-Ming-Yue Wu：软件。Rui Zhang：撰写 – 审稿与编辑，监督。Jian-Yu Wang：资源。Hong-Xing Qi：资源。

资助

无。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

无。