这个光学系统：把多个红外视场映射到同一个小探测器上

日前，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究人员开发了一种光学系统，可把来自多个子视场的光聚焦到单个小面阵探测器上。通过分析随视场变化的光斑形状，系统能判断一个孤立红外目标来自哪个子视场。在序列级测试中，约89%的情况下能识别出正确视场。相关研究成果发表在《光学与激光技术》上。

宽视场红外成像通常依赖大型焦平面阵列，场景中的每一部分分别占据一块探测器区域。阵列越大，对探测器制造、制冷、电子读出和系统集成的要求就越高。研究人员走了另一条路：让同一块探测器区域服务多个观察区域。这样，光学视场可以扩大，而探测器规格不必按比例增大，有望减轻面向稀疏点状目标设计的宽视场系统在硬件上的负担。

当场景中只有少量孤立目标时，大型阵列的很大一部分在某一时刻可能并不承载有用的目标信号。新设计正是利用这种稀疏性，把多个区域映射到共享的探测器像素上。

不过，复用探测器也带来新问题：几条光路一旦折叠到同一块区域，来自不同方向的目标就可能落在彼此重叠的探测器坐标上。因此，仅凭位置无法判断目标来自哪个视场。研究人员把缺失的视场信息编码进点扩散函数中。点扩散函数是点状光源所成的小像，其取向、宽度和拉长程度会随视场位置按可预测的方式变化，从而在探测器坐标之外提供第二组线索。

为了生成随视场变化的图案，光学系统在中间像面采用反射折叠模块和柱面调制元件。折叠模块把中心、上、下、左、右五个子视场引导到共同的探测器区域。柱面元件引入受控的像散和彗差，使光斑改变形状，而不再保持对称。经过标定的码本记录每个视场的特征光斑图案。解码时，系统把测得的质心、主宽度、长宽比和取向与参考图案比较，将目标归入最接近的视场类别。研究人员先用Zemax光学设计软件设计系统，然后搭建了短波红外实验室样机。可更换的柱面元件用来改变光学编码的强度。测得的光斑拉长程度随元件曲率变化，总体趋势与仿真预测一致，说明这些图案可以通过光学设计加以控制。

在另一项评估中，研究人员用记录下来的目标轨迹测试视场码本。分类错误只出现在过渡视场类别中，这也指出了当前编码最难区分的情形。

这项研究表明，受控像差可以在小探测器捕获多个子视场的同时传递视场信息。该方法面向孤立或弱重叠的点目标，不适用于许多响应持续重叠的密集场景。由于视场身份由光斑形态推得，标定和前景提取会直接影响解码结果。

实际限制还包括对准误差、加工公差、探测器噪声，以及能够可靠区分的光斑图案数量有限。还需进一步测试这些影响，并增加可区分子视场的数量。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.116357