專利名稱：雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電成像領(lǐng)域，尤其是一種雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
Stokes矢量可以完全描述光波的強(qiáng)度和偏振態(tài)，為了得到目標(biāo)光輻射的四個(gè)Stokes參量，至少需要獲取同一目標(biāo)的四幅不同偏振態(tài)圖像。根據(jù)此原理，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)研制了很多偏振成像系統(tǒng)?，F(xiàn)在技術(shù)中主要的偏振成像方式有兩種一分時(shí)偏振成像和同時(shí)偏振成像，這兩種方法存在一定的限制因素，制約了偏振成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。分時(shí)測(cè)量方法采用旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件或延遲可變固定波片的方式按照時(shí)序依次采集不同偏振態(tài)的四幅圖像，用于計(jì)算被探測(cè)目標(biāo)的偏振特性。根據(jù)斯托克斯理論，目標(biāo)光輻射的四個(gè)Stokes參量的測(cè)量必須對(duì)相同的目標(biāo)、在相同的照明和相同的探測(cè)器參數(shù)設(shè)置條件下采集才能真實(shí)反映被探測(cè)目標(biāo)的偏振特性，此要求決定了分時(shí)測(cè)量方法餓正確性依賴于四幅不同偏振態(tài)圖像的采集過(guò)程中，被探測(cè)目標(biāo)和偏振成像系統(tǒng)相對(duì)靜止、環(huán)境光輻射恒定、相機(jī)參數(shù)設(shè)置不變，因此使用分時(shí)偏振成像方法對(duì)運(yùn)動(dòng)/變化目標(biāo)進(jìn)行偏振成像探測(cè)時(shí)，可能由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)/變化引入虛假的偏振信息。所以分時(shí)偏振成像方法多用于地表植被、建筑物、礦藏資源等靜態(tài)地物的偏振成像探測(cè)，不適用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的偏振成像探測(cè)。同時(shí)偏振成像方法通過(guò)一次曝光獲得目標(biāo)的四幅不同偏振態(tài)圖像，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性好，解決了分時(shí)偏振成像中多次分時(shí)測(cè)量存在的問(wèn)題。同時(shí)偏振成像主要有分振幅、分孔徑和分焦平面三種偏振成像方式。分振幅同時(shí)偏振成像采用四個(gè)CCD、四套光學(xué)系統(tǒng)，能量利用率低，而且四個(gè)CCD的響應(yīng)非均勻性、四套光學(xué)系統(tǒng)性能的不一致性，均會(huì)引入偏振測(cè)量偏差，且系統(tǒng)體積重量大。分孔徑偏振成像的實(shí)例采用膠合雙楔角渥拉斯頓棱鏡實(shí)現(xiàn)分孔徑，在一個(gè)CCD上同時(shí)采集四幅偏振圖像，但是國(guó)內(nèi)不能生產(chǎn)滿足要求的膠合雙楔角渥拉斯頓棱鏡。分焦平面同時(shí)偏振成像，通過(guò)在焦平面探測(cè)器上集成微偏振片或微波片陣列實(shí)現(xiàn)同時(shí)偏振成像，國(guó)內(nèi)尚不具備該制造工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，解決了分振幅同時(shí)偏振成像能量利用率低、四套光學(xué)系統(tǒng)響應(yīng)不一致等應(yīng)用限制，克服了分孔徑和分焦平面同時(shí)偏振成像對(duì)制造工藝水平的要求。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，包括前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)、分振幅模塊、分孔徑模塊和2個(gè)大面陣CCD，所述分孔徑模塊包括兩個(gè)半波片和兩個(gè)立方體渥拉斯頓棱鏡，所述前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)前端設(shè)定為光輻射入射端，后端為光輻射出射端，目標(biāo)物輻射通過(guò)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)得到壓縮準(zhǔn)直光束，入射到分振幅模塊后分為垂直出射的兩路，其中一路經(jīng)過(guò)分孔徑模塊中的一組半波片和渥拉斯頓棱鏡后分為偏振態(tài)不同的兩路，兩路以?shī)A角形式出射，并在所述2個(gè)大面陣CCD中的其中一個(gè)大面陣CCD上顯示出兩個(gè)部位的目標(biāo)物影像，另一路經(jīng)過(guò)分孔徑模塊中的另一組半波片和渥拉斯頓棱鏡后也分為成偏振態(tài)不同的兩路，兩路以?shī)A角形式出射，并在另一個(gè)大面陣CCD上顯示出兩個(gè)不同部位的目標(biāo)物影像，最終一次性曝光在兩個(gè)大面陣CCD上實(shí)現(xiàn)四偏振態(tài)同時(shí)成像。所述前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)前端設(shè)定為光輻射入射端，后端為光輻射出射端，單色濾光片放置在靠近所述前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)的后端面位置，所述前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)內(nèi)部靠近前、后端面分別放置透鏡組，靠近后端面的透鏡組與所述單色濾光片相對(duì)，在前后兩個(gè)透鏡組之間、前端透鏡組的后焦面處放置可調(diào)視場(chǎng)光闌，前后兩個(gè)透鏡組和視場(chǎng)光闌構(gòu)成準(zhǔn)直光路。
所述分振幅模塊包括一塊消偏振分光棱鏡，消偏振分光棱鏡的直角端面為光束入射面，消偏振分光棱鏡的斜面為分光面，消偏振分光棱鏡的另外兩個(gè)直角端面為光束出射面。所述渥拉斯頓棱鏡的直角端面分別與消偏振分光棱鏡的兩個(gè)直角光束出射面相對(duì)，為光入射面，其中一個(gè)渥拉斯頓棱鏡與所述消偏振分光棱鏡的直角光束出射面之間放置方位角為22. 5°的半波片，為平衡兩路的光程，另一個(gè)渥拉斯頓棱鏡與所述消偏振分光棱鏡的直角光束出射面之間放置方位角為0°的半波片，所述兩個(gè)快軸方位角相差22. 5°的半波片和兩個(gè)渥拉斯頓棱鏡構(gòu)成分孔徑模塊，目標(biāo)的光輻射經(jīng)過(guò)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)中準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直、單色濾光片濾光后入射到所述消偏振分光棱鏡，一部分光從所述消偏振分光棱鏡的斜面、直角面透射后入射到方位角為0°的半波片和渥拉斯頓棱鏡，另一部分光被所述消偏振分光棱鏡的斜面反射后從直角面透射，入射到方位角為22. 5°的半波片和渥拉斯頓棱鏡，光束經(jīng)過(guò)渥拉斯頓棱鏡的雙折射效應(yīng)后出射。所述兩個(gè)大面陣CCD探測(cè)器分別接受從兩個(gè)渥拉斯頓棱鏡出射的不同偏振態(tài)光束，所述兩個(gè)CCD為大面陣CCD，抵消了分孔徑模塊帶來(lái)的分辨力損失。所述前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)靠近前端面的透鏡組，其相對(duì)孔徑F和焦距f隨著成像距離不同為可調(diào)的。所述CXD探測(cè)器的像面與所述渥拉斯頓棱鏡之間分別放置成像透鏡。本發(fā)明的有益效果(1)本發(fā)明無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高，體積重量較分振幅同時(shí)偏振成像小。(2)本發(fā)明一次曝光獲得四幅不同偏振態(tài)圖像，探測(cè)速度快，可以用于快速運(yùn)動(dòng)/變化目標(biāo)的偏振成像，如水面波紋坡度的偏振成像檢測(cè)，水面波紋隨時(shí)間無(wú)規(guī)律變化，因此需要同時(shí)測(cè)量水面波紋的四個(gè)不同偏振態(tài)，使用雙分離渥拉斯頓棱鏡同時(shí)偏振成像可以實(shí)現(xiàn)。(3)本發(fā)明不受探測(cè)器和目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，因此可用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的偏振成像觀測(cè)。(4)本發(fā)明的探測(cè)方式?jīng)Q定四個(gè)不同的偏振態(tài)同時(shí)成像，因此環(huán)境輻射能量變化不會(huì)影響偏振測(cè)量結(jié)果。


圖I為本發(fā)明光路結(jié)構(gòu)圖.
具體實(shí)施例方式如圖I所示。雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像方法，包括接收目標(biāo)光輻射的前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)1，前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)I的前端為光入射段，后端為光出射端，前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)I內(nèi)靠近前、后端面分別放置透鏡組2、4，靠近前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)I的后端透鏡組4的位置放置單色濾光片5，透鏡組4和單色濾光片5相對(duì)，靠近前端的透鏡組2的相對(duì)孔徑F、焦距f隨測(cè)量目標(biāo)距離不同是可調(diào)的。兩透鏡組2、4之間位于前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)I的前端透鏡組2的焦平面處放置視場(chǎng)光闌3，透鏡組2、4和視場(chǎng)光闌3構(gòu)成準(zhǔn)直光路；前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)I的單色濾光片5后放置分振幅模塊,分振幅模塊由消偏振分光棱鏡6構(gòu)成,消偏振分光棱鏡的一個(gè)直角端面為入射面，斜面為分光面，另外兩個(gè)直角端面為光束出射面；靠近消偏振分光棱鏡6光出射的兩個(gè)直角端面分別放置分孔徑模塊，分孔徑模塊包含兩個(gè)分離的渥拉斯頓棱鏡8、12和兩個(gè)半波片7、11，目標(biāo)的光輻射經(jīng)過(guò)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)I準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)單色濾光片5濾波后入射到消偏振分光棱鏡6, —部分光透過(guò)消偏振分光棱鏡6的斜面、直角面后經(jīng)過(guò)方位角為0°的半波片7入射到渥拉斯頓棱鏡8，經(jīng)渥拉斯頓棱鏡8雙折射后分為偏振角0° >90°的兩束光以一定夾角出射,另一部分光被消偏振分光棱鏡6的斜面反射,再?gòu)南穹止饫忡R6的直角面出射，經(jīng)過(guò)方位角22. 5°的半波片11入射到渥拉斯頓棱鏡12，經(jīng)渥拉斯頓棱鏡12雙折射后分為偏折角45°和135°的兩束光以一定的夾角出射；還包括成像透鏡9、13和CXD探測(cè)器10、14，透鏡9把渥拉斯頓棱鏡8出射的兩個(gè)正交偏振態(tài)光束分別成像在CXD探測(cè)器10的上下兩部分，透鏡13把渥拉斯頓棱鏡11出射的兩個(gè)正交偏振態(tài)光束分別成像在CXD探測(cè)器14的左右兩部分。CXD探測(cè)器10和CXD探測(cè)器14同時(shí)采集的四幅不同偏振態(tài)圖像送入計(jì)算機(jī)15處理，獲得被測(cè)目標(biāo)的Stokes參量信息。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明使用一套望遠(yuǎn)系統(tǒng)、兩個(gè)成像鏡頭、兩個(gè)(XD，通過(guò)一次曝光同時(shí)獲得同一目標(biāo)的四幅不同偏振態(tài)圖像，進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算得到目標(biāo)光輻射的Stokes參量，解決了分時(shí)偏振成像和分振幅同時(shí)偏振成像的應(yīng)用限制，以及分孔徑和分焦平面同時(shí)偏振成像對(duì)制造工藝水平的要求。目標(biāo)光輻射首先被前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)中靠近前端的透鏡組會(huì)聚到其焦平面處，在焦平面處放置視場(chǎng)光闌，光束經(jīng)過(guò)光闌后，通過(guò)后端透鏡組準(zhǔn) 直，單色濾光片濾光，變成平行光束，再經(jīng)過(guò)分振幅模塊分成偏振態(tài)相同、傳播方向垂直的兩束平行光，其中一束光經(jīng)過(guò)方位角為0°的半波片、渥拉斯頓棱鏡，分為偏振角為0°和90°的兩束光以一定夾角出射，通過(guò)成像透鏡在CXD的上下兩部分分別成像，另一束光經(jīng)過(guò)方位角22. 5°的半波片、渥拉斯頓棱鏡，分為偏振角為45°和135°的兩束光以一定夾角出射，通過(guò)成像透鏡在CXD的上下兩部分分別成像。
權(quán)利要求
1.雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，包括前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)、分振幅模塊、分孔徑模塊和2個(gè)大面陣CCD，其特征在于所述分孔徑模塊包括兩個(gè)半波片和兩個(gè)立方體渥拉斯頓棱鏡，所述前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)前端設(shè)定為光輻射入射端，后端為光輻射出射端，目標(biāo)物輻射通過(guò)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)得到壓縮準(zhǔn)直光束，入射到分振幅模塊后分為垂直出射的兩路，其中一路經(jīng)過(guò)分孔徑模塊中的一組半波片和渥拉斯頓棱鏡后分為偏振態(tài)不同的兩路，兩路以?shī)A角形式出射，并在所述2個(gè)大面陣CCD中的一個(gè)大面陣CCD上顯示出兩個(gè)部位的目標(biāo)物影像，另一路經(jīng)過(guò)分孔徑模塊中的另一組半波片和渥拉斯頓棱鏡后也分為成偏振態(tài)不同的兩路，兩路以?shī)A角形式出射，并在所述的另一個(gè)大面陣CCD上顯示出兩個(gè)不同部位的目標(biāo)物影像，最終一次性曝光在兩個(gè)大面陣CCD上實(shí)現(xiàn)四偏振態(tài)同時(shí)成像。
2.如權(quán)利要求I所述的雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，其特征在于單色濾光片放置在靠近所述前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)的后端面位置，所述前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)內(nèi)部靠近前、后端面分別放置透鏡組，靠近后端面的透鏡組與所述單色濾光片相對(duì)，在前后兩個(gè)透鏡組之間、前端透鏡組的后焦面處放置可調(diào)視場(chǎng)光闌，前后兩個(gè)透鏡組和視場(chǎng)光闌構(gòu)成準(zhǔn)直光路。
3.如權(quán)利要求I或2所述的雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，其特征在于所述分振幅模塊包括一塊消偏振分光棱鏡，消偏振分光棱鏡的直角端面為光束入射面，消偏振分光棱鏡的斜面為分光面，消偏振分光棱鏡的另外兩個(gè)直角端面為光束出射面。
4.如權(quán)利要求3所述的雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，其特征在于所述渥拉斯頓棱鏡的直角端面分別與消偏振分光棱鏡的兩個(gè)直角光束出射面相對(duì)，為光入射面，其中一個(gè)渥拉斯頓棱鏡與所述消偏振分光棱鏡的直角光束出射面之間放置方位角為22. 5°的半波片，為平衡兩路的光程，另一個(gè)渥拉斯頓棱鏡與所述消偏振分光棱鏡的直角光束出射面之間放置方位角為0°的半波片，所述兩個(gè)快軸方位角相差22. 5°的半波片和兩個(gè)渥拉斯頓棱鏡構(gòu)成分孔徑模塊，目標(biāo)的光輻射經(jīng)過(guò)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)中準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直、單色濾光片濾光后入射到所述消偏振分光棱鏡，一部分光從所述消偏振分光棱鏡的斜面、直角面透射后入射到方位角為0°的半波片和渥拉斯頓棱鏡，另一部分光被所述消偏振分光棱鏡的斜面反射后從直角面透射，入射到方位角為22. 5°的半波片和渥拉斯頓棱鏡，光束經(jīng)過(guò)渥拉斯頓棱鏡的雙折射效應(yīng)后出射。
5.如權(quán)利要求I或2或4所述的雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，其特征在于所述兩個(gè)大面陣CCD探測(cè)器分別接受從兩個(gè)渥拉斯頓棱鏡出射的不同偏振態(tài)光束，抵消分孔徑模塊帶來(lái)的分辨力損失。
6.如權(quán)利要求I或2或4所述的雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，其特征在于所述前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)靠近前端面的透鏡組，其相對(duì)孔徑F和焦距f 隨著成像距離不同為可調(diào)的。
7.如權(quán)利要求I或2或4所述的雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，其特征在于所述CXD探測(cè)器的像面與所述渥拉斯頓棱鏡之間分別放置成像透鏡。
全文摘要
本發(fā)明為雙分離渥拉斯頓棱鏡高分辨力同時(shí)偏振成像系統(tǒng)，包括前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)、分振幅模塊、分孔徑模塊和2個(gè)大面陣CCD，目標(biāo)物輻射通過(guò)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)得到壓縮準(zhǔn)直光束，入射到分振幅模塊后分為垂直出射的兩路，其中一路經(jīng)過(guò)方位角0°的半波片和渥拉斯頓棱鏡構(gòu)成的分孔徑模塊，分為偏振態(tài)不同的兩路，兩路以?shī)A角形式出射，并在所述2個(gè)大面陣CCD中的其中一個(gè)大面陣CCD上顯示出兩個(gè)部位的目標(biāo)物影像，另一路經(jīng)過(guò)半波片和渥拉斯頓棱鏡構(gòu)成的分孔徑模塊，分為成偏振態(tài)的兩路，兩路以?shī)A角形式出射，并在另一個(gè)大面陣CCD上顯示出兩個(gè)不同部位的目標(biāo)物影像，最終一次性曝光在兩個(gè)大面陣CCD上實(shí)現(xiàn)四偏振態(tài)同時(shí)成像。解決了分振幅同時(shí)偏振成像能量利用率低、四套光學(xué)系統(tǒng)響應(yīng)不一致等應(yīng)用限制。
文檔編號(hào)G01C11/02GK102707452SQ20121022793
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者劉敬, 杜嵐, 王霞, 金偉其 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)