环境温度变化引起红外光学系统的光学元件发生几何形变和折射率变化以及光学元件之间的间隔产生变化，结果导致光线在红外光学系统中的光路发生改变，光线汇聚的像面与探测器的焦平面产生轴向位置偏差，发生所谓的“热离焦”现象。热离焦造成红外成像系统输出图像模糊，进而导致红外成像系统无法正常工作。要保证红外成像系统在较宽的温度范围内正常工作，就必须消除环境温度变化对红外光学系统的影响，进行红外成像系统的无热化设计，提高红外成像系统对环境温度的适应性。
目前常见的无热化技术主要分为六类：机电主动式、机械被动式、光学被动式、折衍混合式、数字重聚焦法、波前编码成像技术。前四类技术属于传统的无热化技术，侧重于光机结构设计的技术手段；第五类数学重聚焦法，对红外光学系统不作约束，侧重于仅采用数字信息处理技术。波前编码无热化红外成像技术综合了新型光学器件和信息处理两种技术手段进行无热化设计，在光学（光学编码）和电学（数字解码）两个空间寻找最优解，从而取得良好的红外成像系统无热化效果。
波前编码红外成像技术是一种结合光学编码和数字解码两步成像的计算光学成像技术。波前编码无热化红外成像系统通过在红外光学系统的光阑附近增加特殊面形的光学相位板，对场景红外辐射进行编码调制，使得在宽的环境温度范围内红外焦平面探测器输出的中间编码图像具有高度一致性，再对中间编码图像进行数字解码得到清晰红外图像。近年来，国内外学者开展了大量波前编码无热化红外成像技术的理论分析和原理验证，表明其无热化特性的有效性。
波前编码红外成像的链路示意图
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院光电信息处理重点实验室史泽林研究员课题组在《红外与激光工程》期刊上发表了以“基于波前编码的无热化红外成像技术综述”为主题的综述文章。史泽林研究员主要从事光电成像、光电跟踪、图像处理、目标识别等方面的研究工作。该文章通讯作者为中国科学院光电信息处理重点实验室冯斌副研究员，主要从事波前编码红外成像、红外测温、偏振成像、目标检测、深度学习应用等方面的研究工作。
这项研究主要介绍波前编码无热化红外成像技术的研究背景、基本原理、关键技术、国内外典型的设计方案和原理样机、并展望了波前编码红外成像技术的应用价值和发展趋势。
波前编码无热化红外成像技术的关键技术主要包括光学编码和数字解码。数字解码器的模型是理想的，受光学相位板制备工艺水平的限制，实际加工出来的光学编码器（光学相位板）不是理想的，结果导致光学编码与数字解码在信息空间中存在“不匹配”问题。该问题最终引起解码图像质量下降，具体表现为解码图像伪像严重、图像分辨率降低。由于光学相位板是波前编码红外成像系统完成光学编码的物理载体，光学相位板的面形设计、加工制备、装配、热变形等环节直接影响光学编码效果。目前波前编码红外成像系统的数字解码研究，主要围绕寻找最优数字解码算法、解码算法的实时硬件设计、中间编码图像的噪声抑制，解码图像质量影响等开展。
随后，这项研究针对前编码无热化红外成像技术的系统设计和样机研制做了详细介绍。
英国Heriot-Watt大学的解码图像效果
英国Qioptiq公司的解码图像效果
ZnSe相位板的波前编码红外成像系统
ZnSe相位板：（左）未镀膜、（右）镀膜后
锗材料相位板：（左）未镀膜；（右）镀膜后
综上所述，目前国内外对波前编码红外成像技术的研究主要集中在利用波前编码成像技术扩大景深，提高红外成像系统的温度适应范围，降低红外光学系统的像差，以及减少整个红外光学系统的体积、重量和成本，侧重于对基本原理的仿真和实验验证。现阶段，波前编码红外成像技术存在以下两项有待于解决的难题：（1）现有波前编码成像技术难以应用于变焦红外光学系统的无热化设计；（2）波前编码成像质量评价是技术应用所面临的一个基础问题。
未来波前编码红外成像技术有望在航天领域获得应用：（1）波前编码成像技术用于空间红外相机的无热化、轻小型化；（2）波前编码成像技术有望用于红外导引头反激光对抗干扰。
未来波前编码红外成像技术的新工艺、新方法、新技术同样值得深入探索研究：（1）光学编码元件的压膜制作工艺值得探索研究；（2）将深度学习引入至波前编码红外成像技术值得探索研究；（3）波前编码超分辨红外成像技术值得探索研究。
