熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，適用于偏振分孔徑多通道成像 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 偏振成像系統(tǒng)可探測(cè)目標(biāo)物的反射或自身輻射的偏振信息，偏振信息可以提供關(guān) 于目標(biāo)物的材料表面屬性、粗糙度、形狀等多種重要的物理信息，在天文觀(guān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、遙 感應(yīng)用及軍事識(shí)別等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 偏振態(tài)一般由Stokes矢量表示，為了獲得完整的Stokes矢量信息，至少需要獲取 四幅關(guān)于目標(biāo)的不同偏振態(tài)的圖像。目前主要的偏振成像系統(tǒng)有分時(shí)探測(cè)系統(tǒng)和同時(shí)探測(cè) 系統(tǒng)，分時(shí)探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)引入旋轉(zhuǎn)偏振片或波片等光學(xué)元件，位相可變調(diào)制器等元件，實(shí)現(xiàn) 對(duì)不同偏振態(tài)的分時(shí)測(cè)量。然而分時(shí)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中的時(shí)間延遲必然會(huì)引入由目標(biāo)物 變化或者平臺(tái)快速移動(dòng)所造成的誤差。同時(shí)探測(cè)系統(tǒng)所采用多通道分光技術(shù)主要有利用棱 鏡或分束器的分振幅技術(shù)，在探測(cè)器焦平面處放置集成偏振元件的分焦平面技術(shù)，以及在 孔徑上放置多路子系統(tǒng)的分孔徑成像技術(shù)。分振幅技術(shù)采用四個(gè)光學(xué)系統(tǒng)和四個(gè)紅外探測(cè) 器，不同光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器之間的性能差異會(huì)引入測(cè)量誤差，且分振幅系統(tǒng)體積較大;分焦 平面技術(shù)是在探測(cè)器焦平面處布置微偏振器件，加工制作難度很大，且存在空間配準(zhǔn)誤差； 分孔徑系統(tǒng)由于只采用了一個(gè)探測(cè)器，四路分孔徑系統(tǒng)同時(shí)將目標(biāo)物的各偏振態(tài)信息成像 在探測(cè)器的不同表面上，具有體積緊湊，性能可靠，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的熱紅外分孔 徑成像技術(shù)（參考文獻(xiàn)J. Larry Pezzaniti and David B. Chenault. Proc. of SPIE 58880. 2550.)，冷光闌距離探測(cè)器焦平面較遠(yuǎn)，且中間置有多個(gè)中繼鏡頭，不適用于目前 的封裝成型的紅外制冷光電探測(cè)器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種體積緊湊，成像質(zhì)量高，便于數(shù)據(jù)處 理，工作于熱紅外波段，出瞳與探測(cè)器冷光闌準(zhǔn)確匹配的用于偏振成像儀的分孔徑成像系 統(tǒng)。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系 統(tǒng)，它包括共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組，分孔徑成像鏡組，共孔徑中繼成像鏡組和紅外探測(cè)器;所 述的分孔徑成像鏡組包括四個(gè)并列排布的子通道，其中，三個(gè)子通道的結(jié)構(gòu)相同，沿光路方 向依次放置一個(gè)偏振片、一組通道物鏡和一組通道場(chǎng)鏡，三個(gè)子通道的偏振片起偏方向分 別為0°、45°和90° ;第四個(gè)子通道沿光路方向依次放置一等厚相同材料玻璃片、一組通道物 鏡和一組通道場(chǎng)鏡;所述共孔徑中繼成像鏡組包括共孔徑中繼場(chǎng)鏡和共孔徑中繼成像鏡； 共孔徑中繼成像鏡將目標(biāo)二次成像于紅外探測(cè)器的光敏面上。
[0006] 本發(fā)明所述的共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組，其焦距與光學(xué)系統(tǒng)的總焦距之比為1.5:1~ 2.5:1。共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組可以為熱紅外伽利略望遠(yuǎn)鏡或熱紅外開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡。
[0007] 本發(fā)明所述的分孔徑成像鏡組中的通道物鏡的焦距與光學(xué)系統(tǒng)的總焦距之比為 0.5:1~2:1。分孔徑成像鏡組中的通道物鏡可以為攝遠(yuǎn)物鏡，或雙分離物鏡。
[0008] 本發(fā)明所述的共孔徑中繼成像鏡組為三片式或雙高斯型物鏡。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于： 1、采用分孔徑光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)獲取目標(biāo)的各偏振態(tài)信息，并成像在同一個(gè)紅外探測(cè)器 上，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好。
[0010] 2、四個(gè)分孔徑光學(xué)系統(tǒng)具有相同的光學(xué)結(jié)構(gòu)特性，不受外界環(huán)境等因素的干擾， 測(cè)量精度高。
[0011] 3、采用了二次成像的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將孔徑光闌二次成像在冷光闌的位置，具有 共冷光闌的優(yōu)點(diǎn)，確保了 100%的冷光闌效率，與探測(cè)器冷光闌精確匹配。
[0012] 4、四個(gè)分孔徑經(jīng)一次像面后通過(guò)共同的后組共孔徑鏡頭組成像在探測(cè)器上，避免 了由分孔徑偏心所引入的像面畸變，像質(zhì)良好。
[0013] 5、系統(tǒng)鏡頭均采用了常用的紅外材料，具有較低的加工制造成本。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的熱紅外分孔徑偏振成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的熱紅外分孔徑偏振成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線(xiàn)圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的熱紅外分孔徑偏振成像系統(tǒng)的點(diǎn)列圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的熱紅外分孔徑偏振成像系統(tǒng)的網(wǎng)格畸變圖； 其中：1、共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組第一塊透鏡，2、共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組第二塊透鏡，3、共孔 徑前置望遠(yuǎn)鏡組第三塊透鏡，4、共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組第四塊透鏡，5、偏振片，6、分孔徑成像 鏡組第一塊透鏡，7、分孔徑成像鏡組第二塊透鏡，8、分孔徑場(chǎng)鏡，9、共孔徑中繼場(chǎng)鏡，10、共 孔徑中繼成像鏡組第一塊鏡頭，11、共孔徑中繼成像鏡組第二塊鏡頭，12、共孔徑中繼成像 鏡組第三塊鏡頭，13、共孔徑中繼成像鏡組第四塊鏡頭，14、共孔徑中繼成像鏡組第五塊鏡 頭，15、探測(cè)器冷光闌，16、紅外探測(cè)器。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的具體闡述。
[0016] 實(shí)施例1 本實(shí)施例提供一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，它包括共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組，分 孔徑成像鏡組，共孔徑中繼成像鏡組和紅外探測(cè)器。分孔徑組包括四個(gè)偏振通道，每個(gè)偏振 通道沿光路方向分別放置一個(gè)偏振元件、一組分孔徑成像鏡組。它的工作波段為熱紅外波 段，鏡頭的焦距為68mm，F(xiàn)/#為2，全視場(chǎng)為3.2° X 4°的面視場(chǎng)。
[0017]參見(jiàn)附圖1，它是本實(shí)施例提供的光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖，共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組可 采用熱紅外伽利略望遠(yuǎn)鏡或熱紅外開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡，在本實(shí)施例中的一個(gè)具體結(jié)構(gòu)包括共孔 徑前置望遠(yuǎn)鏡組的第一塊透鏡1、第二塊透鏡2、第三塊透鏡3和第四塊透鏡4,共孔徑前置望 遠(yuǎn)鏡組的焦距與光學(xué)系統(tǒng)的總焦距之比為1.5:1~2.5:1。
[0018]分孔徑成像鏡組包括四個(gè)并列排布的子通道，其中，三個(gè)子通道的結(jié)構(gòu)相同，沿光 路方向依次放置一個(gè)偏振片5、一組通道物鏡包括分孔徑成像鏡組第一塊透鏡6和第二塊透 鏡7、一組通道場(chǎng)鏡8,三個(gè)子通道的偏振片起偏方向分別為0°、45°和90°，第四個(gè)子通道沿 光路方向依次放置一與偏振片5等厚相同材料玻璃片，彌補(bǔ)光程差以獲得目標(biāo)物的光強(qiáng)信 息，以及一組通道物鏡和一組通道場(chǎng)鏡；分孔徑成像鏡組中的通道物鏡的焦距與光學(xué)系統(tǒng) 的總焦距之比為0.5:1~2:1。
[0019] 入射光經(jīng)過(guò)共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組后，光線(xiàn)寬度被壓縮并限制視場(chǎng)，進(jìn)入分孔徑子 系統(tǒng)，經(jīng)放置有不同起偏方向的偏振片后，被分孔徑成像鏡組一次成像于共孔徑中繼場(chǎng)鏡9 處，被共孔徑中繼成像鏡組經(jīng)探測(cè)器冷光闌15,二次成像于紅外探測(cè)器16上;共孔徑中繼成 像鏡組可以為三片式或雙高斯型物鏡，本實(shí)施例中具體包括第一塊鏡頭10、第二塊鏡頭11、 第三塊鏡頭12、第四塊鏡頭13和第五塊鏡頭14。紅外探測(cè)器可采用凝視型紅外焦平面陣列 探測(cè)器。
[0020] 本實(shí)施例提供的用于熱紅外偏振成像的分孔徑光學(xué)系統(tǒng)各透鏡具體數(shù)據(jù)及所采 用的材料見(jiàn)表1。
[0021] 表1
[0022] 參見(jiàn)附圖2，它是系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線(xiàn)，在奈奎斯特頻率32lp/mm處，系 統(tǒng)的MTF大于0.5，接近衍射極限。
[0023] 參見(jiàn)附圖3,它是光線(xiàn)追跡像平面上的點(diǎn)列圖，圖中的圓代表系統(tǒng)衍射艾里斑。各 視場(chǎng)點(diǎn)列圖能量均集中在艾利斑范圍內(nèi)，具有良好的成像質(zhì)量。
[0024]參見(jiàn)附圖4,它是系統(tǒng)網(wǎng)格畸變圖，相對(duì)畸變小于1.13%，最大畸變量為20um，略大 于1個(gè)像元。系統(tǒng)存在的畸變可通過(guò)圖像處理進(jìn)行校正。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:它包括共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組，分 孔徑成像鏡組，共孔徑中繼成像鏡組和紅外探測(cè)器;所述的分孔徑成像鏡組包括四個(gè)并列 排布的子通道，其中，三個(gè)子通道的結(jié)構(gòu)相同，沿光路方向依次放置一個(gè)偏振片、一組通道 物鏡和一組通道場(chǎng)鏡，三個(gè)子通道的偏振片起偏方向分別為0°、45°和90° ;第四個(gè)子通道沿 光路方向依次放置一等厚相同材料玻璃片、一組通道物鏡和一組通道場(chǎng)鏡;所述共孔徑中 繼成像鏡組包括共孔徑中繼場(chǎng)鏡和共孔徑中繼成像鏡;共孔徑中繼成像鏡將目標(biāo)二次成像 于紅外探測(cè)器的光敏面上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的共 孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組，其焦距與光學(xué)系統(tǒng)的總焦距之比為1.5:1~2.5:1。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述 的共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組為熱紅外伽利略望遠(yuǎn)鏡或熱紅外開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的分 孔徑成像鏡組中的通道物鏡的焦距與光學(xué)系統(tǒng)的總焦距之比為〇. 5:1~2:1。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述 的分孔徑成像鏡組中的通道物鏡為攝遠(yuǎn)物鏡，或雙分離物鏡。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的共 孔徑中繼成像鏡組為三片式或雙高斯型物鏡。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱紅外分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的紅 外探測(cè)器為凝視型紅外焦平面陣列探測(cè)器。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種熱紅外波段的分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，它包括共孔徑前置望遠(yuǎn)鏡組，分孔徑成像鏡組，共孔徑中繼成像鏡組和紅外探測(cè)器；分孔徑成像鏡組包括四個(gè)偏振通道，依次放置偏振器件和一組子鏡頭組，它們的偏振方向各不相同，從而可以探測(cè)目標(biāo)的偏振信息；分孔徑成像鏡組所成的像經(jīng)過(guò)場(chǎng)鏡調(diào)整后，被共孔徑中繼成像鏡組二次成像在紅外探測(cè)器焦平面上。由于分孔徑具有相同的光學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同偏振態(tài)信息的同時(shí)探測(cè)，并同時(shí)成像在同一個(gè)紅外探測(cè)器的不同區(qū)域上。本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量好，偏振測(cè)量精度高，不受外界擾動(dòng)影響，可應(yīng)用于快速移動(dòng)平臺(tái)或探測(cè)快速變化的目標(biāo)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，具有100%的冷光闌效率。
【IPC分類(lèi)】G01J4/04, G02B27/28
【公開(kāi)號(hào)】CN105588643
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610106962
【發(fā)明人】黃緒杰, 沈?yàn)槊? 李琪
【申請(qǐng)人】蘇州大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2016年2月28日