CN105352603B - 一种分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统及方法，包括沿光路依次设置的前端望远镜系统、分光与聚焦系统以及探测器，其中，分光与聚焦系统包括沿光路依次设置的分光组件、传输组件和聚光组件，分光组件包括第一斜方棱镜组，传输组件包括四个对等的传输光路，聚光组件包括第二斜方棱镜组，第一斜方棱镜组包括沿四个方向紧密排布的四个第一斜方棱镜，第二斜方棱镜组包括沿四个方向紧密排布的四个第二斜方棱镜，解决了现有的偏振成像系统存在图像配准困难、偏振探测误差大的技术问题，本发明采用四路分孔径的方法来实现全偏振态同时探测，分成的四路光通道完全一致，不需要对每个通道单独进行相差校正，结构紧凑，光能利用率高。

Description

一种分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统及方法

技术领域

本发明涉及一种分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统及方法。

背景技术

目前，偏振成像系统主要分四种：第一种是分时成像系统，这种成像系统是将偏振片固定在成像系统之前，通过手动或电动的方法来旋转偏振片到不同的线偏振方向，来获取不同偏振化方向的目标强度图像；第二种是分振幅成像系统，该类成像系统是利用分束镜和偏振分束器等分束光学器件，结合成像透镜及多个探测器来获取不同偏振方向的目标强度图像；第三种是分孔径成像系统，该类成像系统主要由望远镜系统和孔径分光系统组成，通过多组透镜对望远镜系统的平行光进行分束，分别在多个探测器上成目标强度图像；第四种是分焦平面成像系统，它是将偏振元件集成到探测器焦平面上去，探测器上的一个像元对应一个微偏振元件，可以获取不同偏振化方向的目标强度图像。

分时成像系统简单易行，但是以牺牲时间分辨率为代价的，对于变化或移动的目标无法实现实时偏振成像，并且多次获得的图像存在配准困难的问题；现行的分振幅成像系统和分孔径成像系统均采用多光路、多探测器结构，系统庞大复杂，光学系统存在的像差和各探测器之间参数的不同都会导致偏振探测的误差，并且装调困难，造价昂贵；分焦平面成像系统由于每个像元只对应一个微偏振元件，因此只能获取Stokes矢量其中一个偏振分量，而其他Stokes矢量需根据周围像元获得的值采取内插方法得到，由于各个像元的瞬时场不一致，会导致最后的偏振探测误差，另外，微偏振元件的尺寸小，加工困难。

发明内容

为了解决现有的偏振成像系统存在图像配准困难、系统庞大复杂、偏振探测误差大的技术问题，本发明提供一种分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统和方法。

本发明的技术解决方案：

一种分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的前端望远镜系统、分光与聚焦系统以及单探测器，其中，所述分光与聚焦系统包括沿光路依次设置的分光组件、传输组件和聚光组件，所述分光组件包括一个第一斜方棱镜组11，所述传输组件包括四个对等的传输光路，所述聚光组件包括一个第二斜方棱镜组12，所述第一斜方棱镜组11包括共入射面沿四个方向紧密排布的四个第一斜方棱镜，所述第二斜方棱镜组12包括共出射面沿四个方向紧密排布的四个第二斜方棱镜。第一斜方棱镜、传输光路和第二斜方棱镜一一对应，构成四路完全对等的分光-传光-聚光通道；

所述前端望远镜系统与分光组件之间设置有四个偏振片，每个偏振片对应分光与聚焦系统中的一个第一斜方棱镜，四个偏振片中有三个为线偏振片，一个为圆偏振片。

上述前端望远镜系统是无焦放大，所述传输光路的每一路由多个透镜组成。

一种基于上述的分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统的成像方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)平行光入射，经前端望远镜系统缩束后入射到第一斜方棱镜组11的入射面；

2)第一斜方棱镜组11将入射光束均匀地分在四个传输光路；

3)四路光分别在四个光传输光路上传播，所述传输光路的每一路由四个透镜组成；

4)四路光经各自传输光路上的多个透镜聚焦，经第二斜方棱镜组12共焦面汇聚于单探测器；

5)获取目标图像：获取的目标图像包含三幅线偏振图像和一幅圆偏振图像，能够实现全偏振态探测。

上述前端望远镜系统为无焦放大。

本发明所具有的优点：

1、本发明提出了一种分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统，采用四路分孔径的方法来实现全偏振态同时探测，分成的四路光通道完全一致，不需要对每个通道单独进行相差校正，结构紧凑，光能利用率高。

2、本发明放置偏振片，其中三路放置线偏振片，一路放置圆偏振片，可以实现全偏振态同时探测。与现行分孔径成像系统相比，四个光通道的第一斜方棱镜可共入射面沿四个方向紧密排布，因此光能利用率高；第二斜方棱镜将汇聚光聚焦到同一探测器共焦面成像，避免了多探测器引入的强度探测误差；该分光系统同时还具有结构紧凑、像差校正简单等优点。

3、本发明前端光学望远镜系统和后端的分光与聚焦系统独立设计，通过用不同放大倍率的望远镜系统与不同焦距的分光与聚焦系统结合，可以满足不同的实际应用需求。

附图说明

图1为本发明分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统的结构示意图(图中仅显示了分光与聚焦系统中的两个光通道)；

图2为本发明四路分孔径光路立体图；

图3为本发明光路传输示意图(图中仅显示了分光与聚焦系统中的两个光通道)。

具体实施方式

如图1所示，本发明分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统的结构示意图；包括前端望远镜系统、分光与聚焦系统、以及单探测器13，其中前端望远镜系统由透镜1，透镜2，透镜3、透镜4、透镜5和透镜6构成，是无焦放大系统；分光与聚焦系统包括第一斜方棱镜组11、第二斜方棱镜组12，以及位于第一和第二斜方棱镜组之间的四个对等的光通道，四个光通道绕第一斜方棱镜组11和第二斜方棱镜12的中轴线对称分布。第一斜方棱镜组11为分光组件，第二斜方棱镜组12为聚光组件。

如图2所示分光与聚焦系统包括两个斜方棱镜组和四个对等的光通道，前端光学望远镜系统出射的平行光垂直入射到第一斜方棱镜组11的入射面进行四路分光，四路光再分别经过不同偏振调制后，经由不同方向的四个第一斜方棱镜导入各自的传输光路，经由传输光路中的聚焦透镜7-10聚焦，再由第二斜方棱镜组12实现共出射面聚焦，最终将光聚焦在单探测器焦平面的四个象限，实现分焦平面成像，同时得到四个不同偏振态的强度图像。前端望远镜系统与分光组件之间设置有四个偏振片，每个偏振片对应分光与聚焦系统中的一个光通道，四个偏振片中有三个为线偏振片，一个为圆偏振片。

前端光学望远镜系统和后面的分光与聚焦系统独立设计，通过用不同放大倍率的望远镜系统与不同焦距的分光系统结合，可以满足不同的实际应用需求。

该分光系统采用斜方棱镜导光的主要目的在于：其一，四个第一斜方棱镜之间、四个第二斜方棱镜之间几乎无空隙，可以保证入射的光能量被最大化的利用，减少分光系统对光能量的损失；其二，由于光学元件的尺寸较小，用第一斜方棱镜将光路向四个方向分散，有利于机械件对四路传光系统中的聚焦透镜进行固定，并保持四路光路的一致性和整个偏振成像系统的可靠性。

Claims (4)

1.一种分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的前端望远镜系统、分光与聚焦系统以及单探测器，其中，所述分光与聚焦系统包括沿光路依次设置的分光组件、传输组件和聚光组件，所述分光组件包括一个第一斜方棱镜组(11)，所述传输组件包括四个对等的传输光路，所述聚光组件包括一个第二斜方棱镜组(12)，所述第一斜方棱镜组(11)包括共入射面沿四个方向紧密排布的四个第一斜方棱镜，所述第二斜方棱镜组(12)包括共出射面沿四个方向紧密排布的四个第二斜方棱镜，第一斜方棱镜、传输光路和第二斜方棱镜一一对应，构成四路完全对等的分光-传光-聚光通道；

所述前端望远镜系统与分光组件之间设置有四个偏振片，每个偏振片对应分光与聚焦系统中的一个第一斜方棱镜，四个偏振片中有三个为线偏振片，一个为圆偏振片。

2.根据权利要求1所述的分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统，其特征在于：所述前端望远镜系统是无焦放大，所述传输光路的每一路由四个透镜组成。

3.一种基于权利要求1所述的分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)平行光入射，经前端望远镜系统缩束后入射到第一斜方棱镜组(11)的入射面；

2)第一斜方棱镜组(11)将入射光束均匀地分在四个传输光路；

3)四路光分别在四个传输光路上传播，所述传输光路的每一路由四个透镜组成；

4)四路光经各自传输光路上的四个透镜聚焦，经第二斜方棱镜组(12)共焦面汇聚于单探测器；

5)获取目标图像：获取的目标图像包含三幅线偏振图像和一幅圆偏振图像，能够实现全偏振态探测。

4.根据权利要求3所述的一种基于权利要求1所述的分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统的成像方法，其特征在于：所述前端望远镜系统为无焦放大。