CN102944937B - 一种分孔径偏振成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分孔径偏振成像系统，包括沿入射光线传播方向依次同轴放置的摄远物镜、滤光片、视场光阑、场镜、准直模块、孔径分割模块、聚焦成像模块和CCD探测器，通过一套光学成像系统实现分孔径偏振成像，采用聚焦成像模块校正场曲消除球差和彗差，从而提高系统的成像质量，使像面不发生重叠的现象；当成像环境较暗的情况下，可将偏振片阵列中放置三个偏振角度不同的线偏振片(0°，60°,120°)，余下的一个孔径进行非偏成像。在不改变系统结构的情况下，兼顾了成像照度的影响，从而弥补了光线通过偏振片所带来的能量的损失。

Description

一种分孔径偏振成像系统

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种分孔径偏振成像系统。

背景技术

现有的偏振成像方法主要有三种，一种是基于分时的成像技术，该方法将偏振片固定在成像系统之前，通过手动/电动旋转偏振片到不同的线偏振方向，来获取不同偏振态的图像；另外一种是基于波前分束的成像技术，该方法用分束镜将目标光束分光成多束，并采用多偏振片和多探测器的方式对同一场景实时成像，通常，每一个探测器测量场景的一种偏振态；第三种是申请号为200910237178.7公开的一种实时小型偏振成像装置，该装置包括透镜阵列、偏振片阵列和一个大面阵CCD，透镜阵列包括四个排列在同一平面上的透镜，偏振片阵列包括四个不同偏振方向的偏振片，且所述大面阵CCD的尺寸与透镜阵列、偏振片阵列的尺寸吻合，进入该装置的光线首先透过透镜阵列、然后通过放置在透镜阵列后的偏振片阵列中的四个偏振片同时成像，所述图像同时被放置在偏振片阵列后方的大面阵CCD采集，将采集到的图像送入图像处理系统从而得到完整的偏振图像。

基于分时的方法简单易行，但是以损失时间分辨率为代价，无法对于变化的场景或者移动的目标成像，实时性较差，同时存在多偏振图像的配准问题。基于波前分束的方法解决多偏振态实时成像问题，但是由于采用多光路、多探测器结构，系统体积庞大，不便于装调，且造价昂贵。第三种偏振成像装置较前两种有较大的技术进步，但该装置由于采用4个透镜直接对与之对应的4个偏振光进行成像，由于4个透镜的光轴不在同一条直线上，用同一个大面阵CCD接收时的成像质量很差，还很可能会发生像面重叠的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种分孔径偏振成像系统，能够用一套光学系统实现分孔径偏振成像，而不发生像面重叠的现象，同时提高成像质量。

本发明的一种分孔径偏振成像系统，包括沿入射光线传播方向依次同轴放置的摄远物镜、滤光片、视场光阑、场镜、准直模块、孔径分割模块、聚焦成像模块和CCD探测器，其中：

所述孔径分割模块包括偏振片阵列和子透镜阵列，所述偏振片阵列放置在准直模块后方，偏振片阵列中以2×2阵列分布的4个圆形区域内放置至少3个具有不同偏振角度的偏振片；

所述子透镜阵列放置在偏振片阵列后方，其中的4个透镜以2×2阵列布置，每个透镜分别对准一个所述的圆形区域；

所述聚焦成像模块包括沿光轴方向依次排列的第十透镜、第十一透镜和第十二透镜，其中，第十透镜为负透镜，用来消除系统中的场曲；第十一透镜为正透镜，第十二透镜为弯月透镜，两者组合成为一个正透镜，用于消除系统的球差和彗差；同时，第十透镜、第十一透镜和第十二透镜的组合最终将从子透镜阵列出射的光束分别成像在CCD探测器的四个象限上，且保证4个图像彼此分开。

所述偏振片阵列中有4个偏振片，其偏振角度分别为0°、45°、90°和135°。

所述偏振片阵列中有3个偏振片，其偏振角度分别为0°，60°和120°。

所述场镜为球面透镜，其前表面曲率半径为26.1963mm，后表面曲率半径为-136.3237mm，前表面和后表面的距离为10mm；

所述准直模块包括第五透镜、第六透镜和第七透镜，其中第五透镜为球面透镜，其前表面曲率半径为-17.5155mm，与场镜后表面距离为15.2058mm；后表面曲率半径为30.40390mm，前表面和后表面的距离为1.8mm；

第六透镜为球面透镜，其前表面曲率半径为-258.4155mm，与第五透镜后表面距离为13.9979mm；后表面曲率半径为-32.5799mm，前表面和后表面的距离为10mm；

第七透镜为双胶合透镜，其前表面曲率半径为140.61127mm，与第六透镜后表面距离为113.3579mm；其胶合面曲率半径为40.0286mm，与第七透镜前表面的距离为10mm；后表面曲率半径为-84.7610mm，与胶合面的距离为10mm；

所述偏振片阵列厚度为2mm，其前表面与第七透镜后表面距离为9.7862mm；

所述子透镜阵列的前表面与偏振片阵列后表面距离为1mm；

所述聚焦成像模块包括第十透镜、第十一透镜和第十三透镜，其中第十透镜的前表面为平面，与子透镜阵列后表面贴合；后表面曲率半径为71.6046mm，前表面和后表面的距离为1.8mm；

第十一透镜的前表面曲率半径为248.2664mm，与第十透镜后表面距离为83.9530mm；后表面曲率半径为-120.6947mm，前表面和后表面的距离为10mm；

第十二透镜为弯月透镜，其前表面曲率半径为33.5885mm，距离第十一透镜后表面距离为0.5mm；后表面曲率半径为43.3481mm，前表面和后表面的距离为9.8447mm；

CCD探测器的像面距离第十二透镜的后表面距离为38.3174mm。

所述CCD探测器的对角线长度为16.59mm；

所述场镜前表面的半孔径高为9.0200mm，后表面的半孔径高为8.5498mm；

所述第五透镜的前表面半孔径高为6.4169mm，后表面的半孔径高为6.7050mm；

所述第六透镜前表面的半孔径高为10.7520mm，后表面的半孔径高为12.2530mm；

所述第七透镜前表面的半孔径高为16.7667mm，胶合面的半孔径高为16.4409mm，后表面的半孔径高为16.5120mm；

所述偏振片阵列的前表面半孔径高为15.3605mm，后表面的半孔径高为15.2224mm；

所述子透镜阵列的半孔径高为6.1594mm；

所述第十透镜的前表面半孔径高为14.9046mm，后表面的半孔径高为14.7349mm；

所述第十一透镜的前表面半孔径高为21.1277mm，后表面的半孔径高为21.2072mm；

所述第十二透镜的前表面半孔径高为20.1894mm，后表面的半孔径高为17.8470mm。

本发明的一种分孔径偏振成像系统具有如下有益效果：

1、本发明通过一套光学成像系统实现分孔径偏振成像，采用聚焦成像模块校正场曲消除球差和彗差，从而提高系统的成像质量，使像面不发生重叠的现象。

2、当成像环境较暗的情况下，可将偏振片阵列中放置三个偏振角度不同的线偏振片(0°，60°,120°)，余下的一个孔径进行非偏成像。在不改变系统结构的情况下，兼顾了成像照度的影响，从而弥补了光线通过偏振片所带来的能量的损失。

附图说明

图1为本发明的成像系统结构示意图；

图2为本发明的一个实施例中的偏振片阵列示意图；

图3为本发明的另一个实施例中的偏振片阵列示意图；

图4为本发明的子透镜阵列示意图；

图5为本发明的成像系统MTF曲线图；

图6为本发明的成像系统经过公差分析之后的结果。

其中，1-摄远物镜，2-滤光片，3-视场光阑，4-场镜，5-第五透镜，6-第六透镜，7-第七透镜，8-偏振片阵列，9-子透镜阵列，10-第十透镜，11-第十一透镜，12-第十二透镜，13-CCD探测器13。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种分孔径偏振成像系统，为了弥补现有技术中由4透镜直接对偏振光线成像带来的成像质量差的问题，考虑在系统中采用一个负透镜和一个正透镜来解决该问题，则负透镜用来消除系统内的场曲，正透镜消除球差和彗差，为了更好地消除球差和彗差，考虑采用多个透镜组合成一个正透镜的方案，但考虑到光线透过率、加工成本和加工难易程度，确定采用一个正透镜和一个弯月透镜的组合来实现上述目的。

又由于子透镜阵列9中的4个透镜直接投射成像会导致图像重叠问题，因此，可根据4个透镜的光学参数以及CCD探测器13的大小，来设计聚焦成像模块中3个透镜的参数，以对从子透镜阵列9出射的光线的进行折射，来实现将4个图像进行汇聚或者发散，最终实现将4个图像分别成像在CCD探测器13的四个象限上，且保证4个图像彼此分开，不发生重叠。

为了实现上述目的，如图1所示，在偏振片阵列8前端还设置了依次同轴放置的摄远物镜1，滤光片2，视场光阑3，场镜4和准直模块，其中，摄像物镜的结构为四组元的机械补偿变焦结构，变焦范围18～200mm，覆盖长、中、短各焦段，变焦过程像面位置恒定，在像方焦面处。滤光片2对成像波段进行选择，通过将其他波段的光线滤除，从而改善成像质量。视场光阑3在变焦过程中口径保持不变，用来限制成像视场范围。场镜4的其位置靠近视场光阑3，即像面处，其作用是降低光束在后续准直模块的投射高，从而减小通光口径。场镜4只引入场曲，不产生其它像差，这是它在成像上的优点。第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7一起构成了准直模块，目的是为了产生各个视场的平行光，并且各个视场主光线相交于出瞳处，相当于目镜的作用。第五透镜5和第七透镜7构成正负远离的透镜，利于消场曲。第七透镜7为双胶合透镜组，可消色差，又因为靠近出瞳，可消球差和彗差。

偏振片阵列8对光波进行偏振调制，改变光线的偏振方向。子透镜阵列9(如图4所示)位置刚好位于出瞳面上，作用是对孔径进行分割。CCD探测器13为像面接收器，用来接收四个光学图像，转化为数字图像并用于后续的图像处理，其有效分辨率为1024×1024像元，像元尺寸为9um×9um，成像波段400um-1000um。

如图2所示偏振片阵列8中有4个偏振片，其偏振角度分别为0°、45°、90°和135°。

当成像环境较暗的情况下，如图3所示，偏振片阵列8中有3个偏振片，其偏振角度分别为0°，60°和120°，余下的一个孔径进行非偏成像，相比于偏振片阵列8中包括4个不同偏振角度的偏振片的情况，一个不安装偏振片的孔径中光线能量不损失，由此兼顾了成像照度的影响，从而弥补了光线通过偏振片所带来的能量的损失。虽然系统中缺少了一个偏振光线，即只有三个偏振信息可供成像，但偏振角度分别为0°、60°和120°的偏振角度并不影响解得Stokes参量，具体理论依据如下：斯托克斯表示法是目前最常用的偏振度的表示方法，它既可以将关于偏振的所有信息很好的表达出来，也易于测量。斯托克斯指出，一束光的偏振状态可以由四个参数I、Q、U、V完全描述。在这里，I表示光波的总强度；Q表示x方向与Y方向上的线偏振光的强度差；U表示+π/4方向与-π/4方向上的线偏振光的强度差，V表示右旋偏振分量与左旋圆偏振分量的差值。在自然界大气背景及目标物对太阳入射的偏振效应中，圆偏振的分量极少，故通常假定V＝0。因而，要完全确定一束光线的偏振状态，还需要三个独立数来确定I，Q，U这三个参量。在与x轴的夹角为a的方向上，观测到的光强I₀为,

I₀＝1/2(I+Q cos2a+U sin2a)

因此，实际测量时，只需要测出三个不同角度的线偏振分量光强，即可解得Stokes参量I、Q、U。当使用0°，45°,90°,135°线偏振光时，

I＝I₀+I₉₀＝I₄₅+I₁₃₅

Q＝I₀-I₉₀

U＝I₄₅-I₁₃₅

当使用0°，60°,120°线偏振光时，可以根据下面的公式得到I、Q、U，

I＝2/3(I₀+I₆₀+I₁₂₀)

Q＝4/3(I₀-1/2I₆₀-1/2I₁₂₀)

$U=2/\sqrt{3}(I_{60}-I_{120})$

本发明的采用上述光学系统，实现分孔径偏振成像的目的，且不发生像面重叠的现象，为了提高成像质量，采用光学软件对上述系统中各个器件的参数进行优化，则参数如表1所示，表中数据单位均为mm，s1-s19表示对应图1中的各个光学器件的表面，最终系统光路2维结构如图5所示。

表1、系统结构参数

最终系统指标如下：系统视场角±2.5°，单个图像半像高4mm，F数5.6，系统焦距90mm，视场光阑3到像面的距离为350mm，系统畸变≤2，各表面最大入射角度≤30°，偏振片最大入射角度≤5°，探测器对角线16.59mm，单个像元尺寸9um，系统MTF在56lp/mm处所有视场均不小于35％，如图5所示。

当物镜1的焦距为200mm时，透镜6和7之间的空气间隔为113.3579mm。当物镜1的焦距改变时，可以通过调整透镜6和7之间的距离，改善成像质量。

对系统进行公差分析，分别对曲率半径、透镜厚度、安装时平移和旋转误差、材料的折射率和阿贝数以及材料的同质性设置常用的公差标准，如曲率误差2mm，不规则度0.6，透镜厚度误差0.05mm，折射率误差0.01，色散率误差0.008，材料同质性误差5×10^-6，结果如图6所示，表明系统完全具有可行性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种分孔径偏振成像系统，其特征在于，包括沿入射光线传播方向依次同轴放置的摄远物镜(1)、滤光片(2)、视场光阑(3)、场镜(4)、准直模块、孔径分割模块、聚焦成像模块和CCD探测器(13)，其中：

所述孔径分割模块包括偏振片阵列(8)和子透镜阵列(9)，所述偏振片阵列(8)放置在准直模块后方，偏振片阵列(8)中以2×2阵列分布的4个圆形区域内放置至少3个具有不同偏振角度的偏振片；

所述子透镜阵列(9)放置在偏振片阵列(8)后方，其中的4个透镜以2×2阵列布置，每个透镜分别对准一个所述的圆形区域；

所述聚焦成像模块包括沿光轴方向依次排列的第十透镜(10)、第十一透镜(11)和第十二透镜(12)，其中，第十透镜(10)为负透镜，用来消除系统中的场曲；第十一透镜(11)为正透镜，第十二透镜(12)为弯月透镜，两者组合成为一个正透镜，用于消除系统的球差和彗差；同时，第十透镜(10)、第十一透镜(11)和第十二透镜(12)的组合最终将从子透镜阵列(9)出射的光束分别成像在CCD探测器(13)的四个象限上，且保证4个图像彼此分开；

所述偏振片阵列(8)中有4个偏振片，其偏振角度分别为0°、45°、90°和135°；

所述偏振片阵列(8)中有3个偏振片，其偏振角度分别为0°，60°和120°；

所述场镜(4)为球面透镜，其前表面曲率半径为26.1963mm，后表面曲率半径为-136.3237mm，前表面和后表面的距离为10mm；

所述准直模块包括第五透镜(5)、第六透镜(6)和第七透镜(7)，其中第五透镜(5)为球面透镜，其前表面曲率半径为-17.5155mm，与场镜(4)后表面距离为15.2058mm；后表面曲率半径为30.40390mm，前表面和后表面的距离为1.8mm；

第六透镜(6)为球面透镜，其前表面曲率半径为-258.4155mm，与第五透镜(5)后表面距离为13.9979mm；后表面曲率半径为-32.5799mm，前表面和后表面的距离为10mm；

第七透镜(7)为双胶合透镜，其前表面曲率半径为140.61127mm，与第六透镜(6)后表面距离为113.3579mm；其胶合面曲率半径为40.0286mm，与第七透镜(7)前表面的距离为10mm；后表面曲率半径为-84.7610mm，与胶合面的距离为10mm；

所述偏振片阵列(8)厚度为2mm，其前表面与第七透镜(7)后表面距离为9.7862mm；

所述子透镜阵列(9)的前表面与偏振片阵列(8)后表面距离为1mm；

所述聚焦成像模块包括第十透镜(10)、第十一透镜(11)和第十二透镜，其中第十透镜(10)的前表面为平面，与子透镜阵列(9)后表面贴合；后表面曲率半径为71.6046mm，前表面和后表面的距离为1.8mm；

第十一透镜(11)的前表面曲率半径为248.2664mm，与第十透镜(10)后表面距离为83.9530mm；后表面曲率半径为-120.6947mm，前表面和后表面的距离为10mm；

第十二透镜(12)为弯月透镜，其前表面曲率半径为33.5885mm，距离第十一透镜(11)后表面距离为0.5mm；后表面曲率半径为43.3481mm，前表面和后表面的距离为9.8447mm；

CCD探测器(13)的像面距离第十二透镜(12)的后表面距离为38.3174mm。

2.如权利要求1所述的分孔径偏振成像系统，其特征在于，所述CCD探测器(13)的对角线长度为16.59mm；

所述场镜(4)前表面的半孔径高为9.0200mm，后表面的半孔径高为8.5498mm；

所述第五透镜(5)的前表面半孔径高为6.4169mm，后表面的半孔径高为6.7050mm；

所述第六透镜(6)前表面的半孔径高为10.7520mm，后表面的半孔径高为12.2530mm；

所述第七透镜(7)前表面的半孔径高为16.7667mm，胶合面的半孔径高为16.4409mm，后表面的半孔径高为16.5120mm；

所述偏振片阵列(8)的前表面半孔径高为15.3605mm，后表面的半孔径高为15.2224mm；

所述子透镜阵列(9)的半孔径高为6.1594mm；

所述第十透镜(10)的前表面半孔径高为14.9046mm，后表面的半孔径高为14.7349mm；

所述第十一透镜(11)的前表面半孔径高为21.1277mm，后表面的半孔径高为21.2072mm；

所述第十二透镜(12)的前表面半孔径高为20.1894mm，后表面的半孔径高为17.8470mm。