CN104834105A - 一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统 - Google Patents

Abstract

一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，包括沿光线入射方向依次放置的光线汇集光学系统、第一阵列透镜(6)、阵列偏振片(12)和接收像面(13)，第一阵列透镜(6)为由四片相同正透镜构成的2×2阵列，第一阵列透镜(6)位于系统的光阑位置，阵列偏振片(12)为由四片不同偏振态的偏振片构成的2×2阵列。目标入射光线首先经过光线汇集光学系统汇集于光阑处，第一阵列透镜(6)将交汇于光阑处的全视场光束分为四束，阵列偏振片(12)对四束光进行不同偏振态的处理，形成0°、45°、90°和135°四个偏振方向的线偏振光后在接收像面(13)上成像，形成四幅具有不同偏振态的同一目标的图像。本发明可以在不增加载荷体积重量的前提下，实现大视场、高精度的偏振探测。

Description

一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统

技术领域

本发明属于航天光学遥感技术领域，涉及一种光学成像系统。

背景技术

随着我国探月工程的顺利进展和深空探测技术的不断发展，对太阳系内其他行星的深空探测计划也已提上了我国深空探测十二五、十三五规划的日程中，包括对火星、金星和其他小行星的探测，其中对金星大气的探测是深空探测活动的重要目标和内容之一。

金星探测工程将实现对金星大气层整体性的探测和局部区域的探测，以及金星表面地形地貌与次表层物质结构的全球性探测，由于金星具有极高的大气压、较厚的二氧化硫云层、很高的表面温度等环境特点，大大限制了光学探测手段的应用。因此，需采用偏振成像测量方法进行金星大气探测。

目前国内外实现偏振探测的方法主要有两种：第一种是通过装有偏振片和滤光片的转轮来实现不同光谱不同偏振态的探测，该方法可以实现较大视场，结构较简单，但是会造成载荷整体质量过重，而且转动装置对系统稳定性有影响，不能保证探测精度。第二种是采用沃拉斯顿棱镜进行不同偏振态的分光，这种方式光学系统的能量损失小，但由于沃拉斯顿棱镜的入射角限制较为严格，导致观测视场较小；若要进行大视场观测，需要额外增加二维指向机构，这样势必会增加载荷的体积、重量，因而在大视场观测方面的实用性不大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，可以在不增加载荷体积重量的前提下，实现大视场、高精度的偏振探测。

本发明的技术解决方案是：一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，包括沿光线入射方向依次放置的光线汇集光学系统、第一阵列透镜、阵列偏振片和接收像面，其中第一阵列透镜为由四片相同正透镜构成的2×2阵列，第一阵列透镜位于光阑位置，阵列偏振片为由四片不同偏振态的偏振片构成的2×2阵列；来自于目标的入射光线首先经过光线汇集光学系统汇集于光阑处，第一阵列透镜将交汇于光阑处的全视场光束分为四束，阵列偏振片对四束光进行不同偏振态的处理，形成0°、45°、90°和135°四个偏振方向的线偏振光后在接收像面上成像，形成四幅具有不同偏振态的同一目标的图像。所述的阵列偏振片的基片材料为熔融石英。

所述的成像系统还包括第二阵列透镜，第二阵列透镜为由四片相同正透镜构成的2×2阵列，第二阵列透镜位于第一阵列透镜和阵列偏振片之间，将第一阵列透镜出射的四束光之间的距离拉开使得四束光互不干涉。

所述的第一阵列透镜包括的四片正透镜的曲率半径与第二阵列透镜包括的四片正透镜的曲率半径不相同。

所述的第一阵列透镜和第二阵列透镜之间还放置有第六透镜和第七透镜，第六透镜为负透镜并位于靠近第一阵列透镜一侧，第七透镜为正透镜并位于第六透镜和第二阵列透镜之间。第六透镜和第七透镜的面形均为球面，材料为无色光学玻璃。

第二阵列透镜和阵列偏振片之间还放置有第八透镜和第九透镜，第八透镜为负透镜并位于靠近第二阵列透镜一侧，第九透镜为正透镜并位于第八透镜和阵列偏振片之间。第八透镜和第九透镜的面形均为球面，材料为无色光学玻璃。

所述的光线汇集光学系统包括沿光线入射方向从左至右依次放置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中第一透镜、第四透镜、第五透镜均为正透镜，第二透镜、第三透镜均为负透镜。所述的正透镜和负透镜的面形均为球面，材料为无色光学玻璃。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明首先利用光线汇集系统将入射光线汇集于光阑位置，并在光阑位置处放置2×2阵列透镜将交汇于光阑处的全视场光线分为四束。当入射视场较大时，仅放置一个2×2阵列透镜并不能将四束光完全分开，因而可以在其后添加第二片2×2阵列透镜将四束光拉开较大距离并互不干涉，然后再利用一片2×2阵列偏振片四束光进行不同偏振态的处理，形成0°、45°、90°和135°四个偏振方向的线偏振光后在接收像面上成像，形成四幅具有不同偏振态的同一目标的图像。所用透镜面形均为球面，材料均使用了无色光学玻璃，结构简单，易于加工及检测；

(2)同偏振片转轮技术相比，本发明无转轮等活动部件，结构简单，稳定性高；

(3)同沃拉斯顿棱镜偏振探测技术相比，本发明不存在入射角受限的沃拉斯顿棱镜，可根据需要选用不同的光学结构形式实现不同的观测视场，小视场观测时仅在光阑位置放置一片阵列透镜再经阵列偏振片即可实现偏振探测，大视场观测时考虑到经光阑位置阵列透镜分开的四束光有可能存在干涉，可在光阑位置阵列透镜与阵列偏振片之间再增加一片阵列透镜将四束光距离拉开、互不干涉，无需添加二维指向机构，方法简单，实用性高。

附图说明

图1为本发明成像系统的组成原理框图；

图2为本发明成像系统中光阑位置分束前的光线足印图；

图3为本发明成像系统中经两个阵列透镜分束后的四束光线足印图；

图4为本发明成像系统使用的阵列偏振片示意图及坐标系；

图5为本发明成像系统光学传递函数图。

具体实施方式

本发明的主要思想是在光阑位置放置2×2阵列透镜，将全视场汇集在光阑位置的光束分为四束，然后利用2×2阵列透镜将四束光距离拉大、互不干涉(入射视场较小的情况下可以不需要)，再经过一片2×2阵列偏振片形成0°、45°、90°和135°四个偏振方向的线偏振光，最后成像于接收像面实现同一目标的偏振探测。

如图1所示，为本发明成像系统的光路图，由9片透镜、2片2×2阵列透镜及1片2×2阵列偏振片(如图4所示)构成。

本发明的一个实施方案为：入瞳口径5.2mm，焦距13mm，视场25°×22.5°。

入射光线沿光轴方向依次经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第一阵列透镜6、第六透镜7、第七透镜8、第二阵列透镜9、第八透镜10、第九透镜11及阵列偏振片12后成像于接收像面13。其中，第一透镜1、第四透镜4、第五透镜5、第七透镜8及第九透镜11为正透镜，第二透镜2、第三透镜3、第六透镜7及第八透镜10为负透镜。正透镜和负透镜的材料均为普通无色光学玻璃，系统利用正透镜、负透镜及不同光学材料相结合的方式进行像差校正，所用透镜均为球面透镜。

由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5共5片透镜组成了光线汇集系统，用于将入射光线汇集于整个系统的光阑位置。光线汇集系统的透镜数量及组合形式主要由入射视场决定，当入射视场很小时，可将透镜减少至1～2片；当入射视场较大时，可增加透镜个数或使用非球面用于校正整个系统的像差，实现良好像质。

初始设计时，将第一阵列透镜6放置于光阑位置，用于将经光线汇集系统汇集在光阑处的全视场入射光束分为四束。由于光阑处包含目标所有特性，因而分开后的每束光均含有同一目标特性。若直接在第一阵列透镜6之后放置阵列偏振片12再成像于接收像面，因像差较大导致像质不好。进而在第一阵列透镜6之后添加了第六透镜7、第七透镜8、第八透镜10、第九透镜11，使得像差得以减小，实现良好像质。第一阵列透镜6与阵列偏振片12之间放置透镜的数量及组合形式由视场决定，可根据视场大小增加或减少透镜。但此时出现的问题是，由于入射视场角太大，经光阑处第一阵列透镜6分开后的四束光存在干涉，没有完全分开。观察经第一阵列透镜6后的光束分布、分开程度及结构布局，发现四束光经第六透镜7、第七透镜8之后干涉程度较小，且第七透镜8与第八透镜10之间空间位置较大，适合增加新的透镜，于是在第七透镜8与第八透镜10之间增添了第二阵列透镜9，用于将四束光之间的距离拉开使得四束光互不干涉，进而经过优化设计，保证了系统像质基本不变。

第一阵列透镜6及第二阵列透镜9均由四片相同的方形正透镜形成2×2阵列，表面均为球面且材料均属于普通无色光学玻璃，由于第一阵列透镜6、第二阵列透镜9光线入射角不同，若二者曲率半径相同，则入射角大的一方会造成较大像差，因而需根据光线入射角的不同优化调整二者的曲率半径，平衡二者的光焦度。

图2为本发明成像系统中光阑位置分束前的光线足印图；图3为本发明成像系统中经第一阵列透镜6、第二阵列透镜9共同作用分束后的四束光线足印图，比较可知光阑处光束已分为四束且互不干涉。

四束光经过第八透镜10、第九透镜11后得以会聚，再经阵列偏振片12后形成0°、45°、90°和135°四个偏振方向线偏振光，最终成像于接收像面13，形成四幅互不干涉、具有不同偏振态的同一目标图像。如图4所示，偏振片12由四片产生不同偏振态的线栅偏振片组成，四片偏振片分别用于产生0°、45°、90°和135°四个偏振方向线偏振光，基片材料均为熔融石英，区别在于偏振轴不同。坐标系中，z轴代表光轴方向，阵列偏振片12垂直于z轴放置，其中0°偏振片表明偏振轴与x轴方向重合，45°偏振片表明偏振轴与x轴方向成45°夹角，90°偏振片表明偏振轴与y轴方向重合，135°偏振片表明偏振轴与x轴成135°夹角。四束光经阵列偏振片12产生的0°、45°、90°和135°四个方向线偏振光即可表征探测目标的全部偏振信息，到达接收像面13实现同一目标偏振探测。

图5为光学传递函数图，图中所示横坐标代表空间频率，纵坐标代表调制传递函数。实施方案全视场为25°×22.5°，设计时取多个视场点(中心视场、0.7视场及边缘视场)，包含视场有(0包,0包)、(17.5°,0°)、(25°,0°)、(0°,15.75°)、(0°,22.5°)、(17.5°,15.75°)、(25°,22.5°)共7个视场点，即可代表整个视场范围。由图4可知空间频率为30lp/mm时，各视场调制传递函数均在0.65以上，调制传递函数均值约0.71，成像质量优良。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：包括沿光线入射方向依次放置的光线汇集光学系统、第一阵列透镜(6)、阵列偏振片(12)和接收像面(13)，其中第一阵列透镜(6)为由四片相同正透镜构成的2×2阵列，第一阵列透镜(6)位于光阑位置，阵列偏振片(12)为由四片不同偏振态的偏振片构成的2×2阵列；来自于目标的入射光线首先经过光线汇集光学系统汇集于光阑处，第一阵列透镜(6)将交汇于光阑处的全视场光束分为四束，阵列偏振片(12)对四束光进行不同偏振态的处理，形成0°、45°、90°和135°四个偏振方向的线偏振光后在接收像面(13)上成像，形成四幅具有不同偏振态的同一目标的图像。

2.根据权利要求1所述的一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：所述的成像系统还包括第二阵列透镜(9)，第二阵列透镜(9)为由四片相同正透镜构成的2×2阵列，第二阵列透镜(9)位于第一阵列透镜(6)和阵列偏振片(12)之间，将第一阵列透镜(6)出射的四束光之间的距离拉开使得四束光互不干涉。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：所述的光线汇集光学系统包括沿光线入射方向从左至右依次放置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)，其中第一透镜(1)、第四透镜(4)、第五透镜(5)均为正透镜，第二透镜(2)、第三透镜(3)均为负透镜。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：所述的阵列偏振片(12)的基片材料为熔融石英。

5.根据权利要求3所述的一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：所述的正透镜和负透镜的面形均为球面，材料为无色光学玻璃。

6.根据权利要求2所述的一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：所述的第一阵列透镜(6)包括的四片正透镜的曲率半径与第二阵列透镜(9)包括的四片正透镜的曲率半径不相同。

7.根据权利要求2所述的一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：所述的第一阵列透镜(6)和第二阵列透镜(9)之间还放置有第六透镜(7)和第七透镜(8)，第六透镜(7)为负透镜并位于靠近第一阵列透镜(6)一侧，第七透镜(8)为正透镜并位于第六透镜(7)和第二阵列透镜(9)之间。

8.根据权利要求7所述的一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：所述的第六透镜(7)和第七透镜(8)的面形均为球面，材料为无色光学玻璃。

9.根据权利要求2所述的一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：所述的第二阵列透镜(9)和阵列偏振片(12)之间还放置有第八透镜(10)和第九透镜(11)，第八透镜(10)为负透镜并位于靠近第二阵列透镜(9)一侧，第九透镜(11)为正透镜并位于第八透镜(10)和阵列偏振片(12)之间。

10.根据权利要求9所述的一种利用阵列透镜实现偏振探测的成像系统，其特征在于：所述的第八透镜(10)和第九透镜(11)的面形均为球面，材料为无色光学玻璃。