CN109884803A - 反射式实时红外偏振双分离成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，包括：卡塞格林反射组件、Wollaston棱镜、成像红外透镜组以及探测器组件；卡塞格林反射组件，用于压缩平行光后，再将平行光输出，入射到Wollaston棱镜；Wollaston棱镜，用于将平行光分解成两束偏振光；成像红外透镜组，用于将两束偏振光汇聚并分离成像到探测器组件上；探测器组件，包括探测器像面以及探测器冷屏，探测器像面用于探测两束偏振光形成的两幅偏振图像，探测器冷屏用于减少辐射。本发明利用卡塞格林反射系统进行光线收集，可以获得更多的红外能量；利用Wollaston棱镜可实时获取同一场景的两幅偏振图像，对该两幅偏振图像进行图像信息处理，可以提高目标探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及红外偏振成像技术领域，尤其涉及一种反射式实时红外偏振双分离成像光学系统。
背景技术
探测景物光波偏振态的成像技术就是偏振成像，偏振成像具有广泛的应用前景，例如探测隐藏或伪装的目标、实现对小温差目标的探测和识别、在烟雾环境条件下探测目标等等。而随着光电技术的发展，各种红外伪装措施得到应用，使目标和背景的红外辐射特性发生了改变，导致系统受到干扰，严重影响红外成像探测系统的探测能力，限制了传统红外成像系统功能的发挥。红外偏振成像技术是近十年来国外发展迅速的新型成像技术，同时利用目标景物的辐射强度信息和偏振度信息，提高成像系统在复杂背景下目标的探测和识别能力。另外，对于红外成像系统来说，非常重要的一点是获取的目标能量大小，获取的目标能量越多，系统的透过率越高，系统的效率就越高，而反射式系统相较于透射式系统，有更广泛的材料选择，并且可以加工更大的口径从而获得更高的能量，在红外光学系统中具有更加广阔的应用前景。
传统的偏振成像技术具有一定的缺陷，传统的偏振成像系统主要有三种分偏振方式，即分振幅方式、分孔径方式和偏振焦平面成像方式，分振幅方式原理简单，但目标的不同偏振分量必须在相同的条件下分时获得，容易在过程中由于环境因素引入误差；分孔径的方式复杂度高、系统对噪声敏感，探测能力较弱；偏振焦平面成像方式关键在于探测元件的制作工艺，价格昂贵而且光路容易串扰；二是解决红外透射式系统的缺陷，红外透射系统可选择的材料较少，而且加工口径有限，一般口径超过100mm的红外透射材料就会出现加工难度大、重量体积较大等问题，且价格昂贵，而反射式光学系统可以加工很大的口径，成熟的技术可以加工200mm-400mm口径反射镜，另外红外透射材料难免会有透过率损失和色差等缺陷，反射式系统则由于镀膜技术的成熟，不会为系统带去很大的能量损失且反射式系统本身不会为光路引入色差。鉴于此，针对上述问题研究分析，遂有本案产生。
发明内容
本发明实施例提供一种反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，用以解决现有技术中传统偏振成像系统分振幅方式容易由于环境因素引入误差；分孔径方式复杂度高、系统对噪声敏感，探测能力较弱；偏振焦平面成像方式价格昂贵而且光路容易串扰以及大口径红外透射材料加工难度大的问题。
本发明实施例提供一种反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，包括：卡塞格林反射组件、沃拉斯顿Wollaston棱镜、成像红外透镜组以及探测器组件；
所述卡塞格林反射组件，用于将从其大入射口径接收到的平行光进行压缩后，从其小口径输出平行光，并入射到所述沃拉斯顿Wollaston棱镜；
所述沃拉斯顿Wollaston棱镜，用于将所述平行光分解成在空间分离且偏振态互相正交的两束偏振光；
所述成像红外透镜组，用于将所述两束偏振光汇聚并分离成像到探测器组件上；
所述探测器组件，包括探测器像面以及探测器冷屏，所述探测器像面用于探测两束偏振光形成的两幅偏振图像，所述探测器冷屏用于减少进入探测器组件上的杂散辐射。
优选地，所述卡塞格林反射组件具体包括：同轴设置且依次排列的主镜以及次镜；
其中所述主镜为二次曲面，所述次镜为非球面。
优选地，所述沃拉斯顿Wollaston棱镜由两块光轴相互正交的等腰直角三角棱柱晶体光胶而成。
优选地，所述探测器冷屏具体包括：
光阑，用于保证所述成像光学系统的冷光阑效率，减少进入制冷探测器上的杂散辐射。
优选地，所述沃拉斯顿Wollaston棱镜材料采用氟化镁或者其他具有晶体性质的红外材料。
优选地，所述Wollaston棱镜具体用于：
通过两个三棱柱晶体界面两侧的光轴取向不同，使入射光线在经过胶合面时由寻常光到异常光的变化或者由异常光到寻常光的变化，使不同振动方向的光发生不同的折射，形成在空间分离且偏振态互相正交的两束偏振光，所述两束偏振光夹角β大小为2(no-ne)，其中，no和ne为晶体中寻常光折射率和异常光折射率。
采用本发明实施例，本发明提供的反射式实时红外偏振双分离成像光学系统采用单光路偏振成像方式，解决了传统偏振成像系统分振幅方式容易由于环境因素引入误差；分孔径方式复杂度高、系统对噪声敏感，探测能力较弱；偏振焦平面成像方式价格昂贵而且光路容易串扰以及大口径红外透射材料加工难度大的问题。本发明采用卡塞格林反射结构、单光路偏振成像方式，前端利用卡塞格林反射系统进行光线收集，可以获得更多的红外能量；之后利用Wollaston棱镜对卡塞格林系统出射的光线进行偏振分光，可实时获取同一场景的两幅偏振图像，利用同一场景的两幅偏振图像进行图像信息处理，可以提高目标探测效率；为实时红外偏振成像与探测的发展奠定技术基础。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的Wollaston棱镜结构示意图。
图2是本发明实施例提供的反射式实时红外偏振双分离成像光学系统原理示意图。
图3是本发明实施例中反射式实时红外偏振双分离成像光学系统示意图；
图4是本发明实施例中卡塞格林反射组件示意图；
图5是本发明实施例中成像组件示意图；
图6是本发明实施例中探测器组件及双分离成像示意图；
图7是本发明实施例中偏振光1的调制传递函数MTF图；
图8是本发明实施例中偏振光2的调制传递函数MTF图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，如图2、图3所示，包括：卡塞格林反射组件1、沃拉斯顿Wollaston棱镜2、成像红外透镜组3、以及探测器组件；
所述卡塞格林反射组件1，用于将从其大入射口径接收到的平行光进行压缩后，从其小口径输出平行光，并入射到所述沃拉斯顿Wollaston棱镜2；
其中，所述卡塞格林反射组件1具体包括：同轴设置且依次排列的主镜以及次镜；
其中所述主镜为二次曲面，所述次镜为非球面。
所述沃拉斯顿Wollaston棱镜2，用于将所述平行光分解成在空间分离且偏振态互相正交的两束偏振光；如图1所示，图1中棱镜锐角α为45°，沃拉斯顿Wollaston棱镜2利用界面两侧光轴取向的不同，使正入射到棱镜表面AB的自然光进入左棱镜ABD后分解成寻常光和异常光，它们的振动方向分别垂直于和平行于图平面，因此尽管它们的传播方向一致，对应的折射率却不相同，寻常光和异常光的折射率分别为no和ne；进入右棱镜ACD后，垂直于图平面的振动成分由寻常光变为异常光，折射率由n o变为ne，光线将向下偏折，而平行于图平面的振动成分由异常光变为寻常光，折射率由ne变为no，光线向上偏折；最终偏振方向正交的两束偏振光发生空间的分离。因此，一束光线在入射到沃拉斯顿Wollaston棱镜2后，可以同时产生两束在空间分离的偏振态互相正交的偏振光；
其中，no和ne为晶体中寻常光折射率和异常光折射率，两束偏振光夹角β大小为2(no-ne)；
其中，所述沃拉斯顿Wollaston棱镜2由两块光轴相互正交的等腰直角三角棱柱晶体光胶而成，且其材料采用氟化镁或者其他具有晶体性质的红外材料。
所述成像红外透镜组3，用于将所述两束偏振光汇聚并分离成像到探测器组件上，使两束偏振光在空间上有所分离，如图6所示；
所述探测器组件，包括探测器像面5以及探测器冷屏4，所述探测器像面5用于探测两束偏振光形成的两幅偏振图像，所述探测器冷屏4用于减少进入探测器组件上的杂散辐射；
其中，探测器组件为红外制冷型探测器，本发明实施例主要提到制冷探测器的冷屏和探测器像面5，关于探测器的制冷机和电路等不做赘述；
其中，所述探测器冷屏4具体包括：
光阑，用于保证所述成像光学系统的冷光阑效率，减少进入制冷探测器上的杂散辐射。
以中波红外为例，根据以上描述具体设计的反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，如图3所示；
以目标景物辐射能量开始的光路，光线首先由卡塞格林反射组件压缩，以平行光入射到沃拉斯顿Wollaston棱镜上，从而沃拉斯顿Wollaston棱镜产生两束在空间分离的偏振态互相正交的偏振光，分别称为偏振光1和偏振光2，两束偏振光再经过成像红外透镜组进行光线汇聚，最后将两幅偏振图像同时成像到探测器组件上。其中：
1.卡塞格林反射组件参数为：
工作波段：中波红外4.2μm；
系统组成：两片反射镜，主镜为二次曲面，次镜为非球面，如图4所示；
有效口径：120mm；
焦距：f＝480mm；
F数：F/#＝4；
2.沃拉斯顿Wollaston棱镜参数为：
Wollaston棱镜边长：20mm；
Wollaston棱镜材料：氟化镁；
3.成像组件参数为：
工作波段：中波红外4.2μm；
系统组成：两片透镜，材料为锗和硒化锌，如图5所示；
有效口径：60mm；
焦距：f＝80mm；
F数：F/#＝4；
冷光阑效率：100％；
4.探测器组件参数为：
探测器类型：中波制冷型探测器；
像元尺寸：15μm；
最终反射式实时红外偏振双分离成像光学系统的两幅偏振图像的调制传递函数MTF图如图7、图8所示。
本发明实施例中提供的反射式实时红外偏振双分离成像光学系统采用单光路偏振成像方式，解决了传统偏振成像系统分振幅方式容易由于环境因素引入误差；分孔径方式复杂度高、系统对噪声敏感，探测能力较弱；偏振焦平面成像方式价格昂贵而且光路容易串扰以及大口径红外透射材料加工难度大的问题。本发明采用卡塞格林反射结构、单光路偏振成像方式，前端利用卡塞格林反射系统进行光线收集，可以获得更多的红外能量；之后利用Wollaston棱镜对卡塞格林系统出射的光线进行偏振分光，可实时获取同一场景的两幅偏振图像，利用同一场景的两幅偏振图像进行图像信息处理，可以提高目标探测效率；为实时红外偏振成像与探测的发展奠定技术基础，且保证了冷光阑效率，从而减少进入制冷探测器上的杂散辐射；利用反射式光学系统，可以获取景物更多能量，提高系统透过率，减少系统色差，提高系统效率。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)
1.一种反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，其特征在于，包括：卡塞格林反射组件、沃拉斯顿Wollaston棱镜、成像红外透镜组、以及探测器组件；
所述卡塞格林反射组件，用于将从其大入射口径接收到的平行光进行压缩后，从其小口径输出平行光，并入射到所述沃拉斯顿Wollaston棱镜；
所述沃拉斯顿Wollaston棱镜，用于将所述平行光分解成在空间分离且偏振态互相正交的两束偏振光；
所述成像红外透镜组，用于将所述两束偏振光汇聚并分离成像到探测器组件上；
所述探测器组件，包括探测器像面以及探测器冷屏，所述探测器像面用于探测两束偏振光形成的两幅偏振图像，所述探测器冷屏用于减少进入探测器组件上的杂散辐射。
2.如权利要求1所述的反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，其特征在于，所述卡塞格林反射组件具体包括：同轴设置且依次排列的主镜以及次镜；
其中所述主镜为二次曲面，所述次镜为非球面。
3.如权利要求1所述的反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，其特征在于，所述沃拉斯顿Wollaston棱镜由两块光轴相互正交的等腰直角三角棱柱晶体光胶而成。
4.如权利要求1所述的反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，其特征在于，所述探测器冷屏具体包括:
光阑，用于保证所述成像光学系统的冷光阑效率，减少进入制冷探测器上的杂散辐射。
5.如权利要求1所述的反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，其特征在于，所述沃拉斯顿Wollaston棱镜材料采用氟化镁或者其他具有晶体性质的红外材料。
6.如权利要求1所述的反射式实时红外偏振双分离成像光学系统，其特征在于，所述Wollaston棱镜具体用于：
通过两个三棱柱晶体界面两侧的光轴取向不同，使入射光线在经过胶合面时实现由寻常光到异常光的变化或者由异常光到寻常光的变化，使不同振动方向的光发生不同的折射，形成在空间分离且偏振态互相正交的两束偏振光，所述两束偏振光夹角β大小为2(no-ne)，其中，no和ne为晶体中寻常光折射率和异常光折射率。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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