CN110207823A - 中波红外四偏振态同时成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外偏振成像领域，为提出一种工作在中波红外波段，成像质量高，图像一致性好，数据处理方便的中波红外偏振成像系统，本发明，中波红外四偏振态同时成像光学系统，由前置视场限制模块、视场分离模块、合像模块以及制冷型红外探测器构成，所述的前置视场限制模块为开普勒式的望远系统，前端为光辐射的入射端，后端为光辐射的出射端，目标辐射通过望远系统得到压缩的准直光束，入射到视场分离模块；所述的视场分离模块由四个相同的光路组成，从视场分离模块出射的光成四个相同的像，从四路光路中出射的光经过所述的合像模块，将所述视场分离模块所成的实像耦合到制冷型探测器上。本发明主要应用于中波红外偏振成像场合。
Description
技术领域
本发明涉及红外偏振成像领域，适用于中波红外分四偏振态同时成像的光学系统。具体涉及中波红外四偏振态同时成像光学系统。
背景技术
红外偏振成像在红外强度成像的基础上，获取被测目标的偏振信息。通过对位置信息与偏振信息的综合处理，能够在伪装、隐身、暗弱环境中发现识别目标，具有良好的应用前景，目前国内外已经对红外偏振成像系统研制进行了大量研究工作。
目前广泛应用的红外偏振成像系统按照像素偏振分量获取方式划分，有分孔径偏振成像、分振幅偏振成像、分时偏振成像和分焦平面偏振成像。分孔径偏振成像系统一般是由望远系统和分孔径系统组成，入射光通过望远镜在分孔径系统分束，最终在同一个焦平面阵列(FPA) 上形成多个偏振态不同的像；分振幅偏振成像系统主要是通过一些偏振分光元件，如偏振分光片、沃尔斯通棱镜、波片将入射光分为多个光路，然后通过四个相同的光学系统成像在四个不同的焦平面阵列上，从而获得四个不同的Stokes矢量；分时偏振成像系统主要是在光学系统中引入可以旋转的偏振元件，通过手动或电动的方式改变偏振状态，从而获得不同的 Stokes矢量图；分焦平面偏振成像方式主要依赖于偏振元件集成到焦平面探测器上，焦平面的一个像元对应一个微偏振元件，在一个光学系统中就可以获得目标不同的Stokes矢量图。
分振幅的偏振成像方式会使系统体积过于庞大，并且四个光学系统和四个探测器的一致性不能保证，因此在系统本身上就会存在系统误差，而且这种误差不可消除。分时偏振方式以牺牲时间分辨率为代价，不能同时获取目标不同的Stokes矢量图，因此不能对动态目标进行追踪，由于系统中具有运动元件，需要多次获取目标的不同Stokes矢量图，存在图像配准问题，系统的稳定性也不高。分焦平面的偏振成像方式系统的结构简单，但是就目前的加工水平来看，微偏振元件与焦平面阵列集成加工制作难度很大，实现起来较为困难。
发明内容
为克服现有技术的不足，解决目前现有的红外偏振成像系统中存在的系统体积大、图像配准难、焦平面阵列利用率低、偏振测量误差大等问题，本发明旨在提出一种工作在中波红外波段，成像质量高，图像一致性好，数据处理方便的中波红外偏振成像系统。为此，本发明采取的技术方案是，中波红外四偏振态同时成像光学系统，由前置视场限制模块、视场分离模块、合像模块以及制冷型红外探测器构成，所述的前置视场限制模块为开普勒式的望远系统，前端为光辐射的入射端，后端为光辐射的出射端，目标辐射通过望远系统得到压缩的准直光束，入射到视场分离模块；所述的视场分离模块由四个相同的光路组成，从视场分离模块出射的光成四个相同的像，从四路光路中出射的光经过所述的合像模块，将所述视场分离模块所成的实像耦合到制冷型探测器上，实现100％冷阑效率。
所述的视场限制模块开普勒望远镜，在一次实像处设置视场光阑，视场光阑是矩形，其尺寸与探测器尺寸相匹配。
所述的视场分离模块为四路紧密排列的相同的光学系统，唯一不同的是在四路光路中放置偏振方向不同的偏振片，四个子通道的偏振片的偏振方向分别为0°、45°、90°、135°，在分孔径成像系统之后是一个拼接的场镜。
所述的合像模块为0.5倍的缩小成像系统，滤光片在探测器之前，滤光片可以转换，分为三个不同的波段，分别为3.7μm～4.2μm，4.2μm～4.8μm，3.7μm～4.8μm。
本发明的特点及有益效果是：
所述的视场限制模块可以根据实际应用来具体的进行替换。
通过孔径分割，可以实现在一个探测器上同时获取到目标四幅偏振态不同的强度图像且四个分孔径光学系统结构相同，不易受到外部环境因素干扰，使得系统结构稳定、体积小、精度高、可靠性好。
偏振片倾斜放置，抑制了系统的冷反射，增强了系统对环境温度变化、振动等因素抵抗能力。
采用场镜拼接的方式，减少了有效像元的损失，提高了探测器有效像元的利用率。
本发明所采用的合像模块，将视场分离模块所成的四个像耦合在了制冷型探测器内，实现了100％冷光阑效率，并且降低了有效像元的损失。
本发明采用可以更换的滤光片，可以在不同波段成像，并且成像质量良好，有利于分波段偏振成像探测。
附图说明：
图1为本发明中波红外四偏振态同时成像光学系统的结构示意图(图中仅显示了分光部分的两个通道)；
图2为本发明视场分离模块中四个相同子通道排布方式(俯视图)；
图3为本发明视场分离模块四个子通道中偏振片0°、45°、90°、135°配置示意图；
图4为本发明视场分离模块四个偏振片空间排布方式示意图；
图5为本发明场镜拼接结构示意图；
图6为本发明的成像系统MTF曲线图。
具体实施方式
本发明采用的技术解决方案：
中波红外四偏振态同时成像光学系统，由前置视场限制模块、视场分离模块、合像模块以及制冷型红外探测器构成。所述的前置视场限制模块可以为开普勒式的望远系统，前端为光辐射的入射端，后端为光辐射的出射端，目标辐射通过望远系统得到压缩的准直光束，入射到视场分离模块。所述的视场分离模块由四个相同的光路组成，从视场分离模块出射的光成四个相同的像。从四路光路中出射的光经过所述的合像模块，将所述视场分离模块所成的实像耦合到制冷型探测器上，实现100％冷阑效率。
所述的视场限制模块可以为开普勒式望远镜，如果为开普勒望远镜，在一次实像处设置视场光阑。视场光阑是矩形，其尺寸与探测器尺寸相匹配。
所述的视场分离模块为四路紧密排列的相同的光学系统，唯一不同的是在四路光路中放置偏振方向不同的偏振片，四个子通道的偏振片的偏振方向分别为0°、45°、90°、135°。在分孔径成像系统之后是一个拼接的场镜。
所述的合像模块为0.5倍的缩小成像系统，滤光片在探测器之前，滤光片可以转换，分为三个不同的波段，分别为3.7μm～4.2μm，4.2μm～4.8μm，3.7μm～4.8μm。
下面结合附图并举实例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明分孔径偏振成像系统的结构示意图；包括前端的视场限制模块、视场分离模块、合像模块和制冷型探测器20，其中前端的视场限制模块由透镜1、透镜2、透镜3、视场光阑4、透镜5、透镜6、透镜7组成，本例子以开普勒望远结构作为视场限制模块进行说明，视场分离模块由透镜8、透镜9、透镜10、偏振片11、场镜12组成，从透镜8 到透镜12为四个相同的通道，四个通道的空间排布如图2所示。合像模块由透镜13、透镜 14、透镜15、透镜16、透镜17、滤光片18组成。19为探测器冷光阑，20为制冷型探测器焦平面。
本实施例所述的中波红外分孔径偏振成像光学系统，系统工作波长为3.7μm～4.8μm，系统的像面大小9.6mm×7.68mm，系统的F数为2，视场大小为3.12°×3.9°。
视场限制模块为开普勒望远结构，可将入射光束压缩，同时与视场分离模块衔接，增大系统的入瞳。前置模块除开普勒望远镜外，还可为伽利略望远镜，或者多种反射式望远镜。
视场分离模块由四个相同的子通道组成，排列方式如图2所示。四个光路是完全相同。在四个通道中，分别放置四个偏振方向不同的偏振片，偏振片的偏振方向如图3所示，偏振角度分别为0°、45°、90°、135°。四个偏振片的空间放置方式如图4所示。视场分离模块中场镜12为拼接而成，实现与合像模块光瞳衔接，压缩光束。拼接的场镜的结构如图5所示。
入射辐射经过视场分离模块、偏振方向不同的偏振片后，被视场分离模块成像于场镜12，形成的四个不同偏振态的像再经过合像模块，最终成像在焦平面阵列20上。
前端视场限制模块、视场分离模块和合像模块单独设计，可将不同视场限制模块与不同的视场分离模块结合，最终确定一个合适放大倍率的合像系统，以满足不同的实际应用需要。
系统中偏振片倾斜的目的主要是抑制引入偏振片带来的冷反射。场镜拼接是为了适应偏振片倾斜所带来的像面位移，减小相邻两个通道像之间的距离。
图6是系统的调制函数(MTF)曲线，在空间频率32lp/mm处，系统的对比度大于0.5，接近衍射极限。
Claims (4)
1.一种中波红外四偏振态同时成像光学系统，其特征是，由前置视场限制模块、视场分离模块、合像模块以及制冷型红外探测器构成，所述的前置视场限制模块为开普勒式的望远系统，前端为光辐射的入射端，后端为光辐射的出射端，目标辐射通过望远系统得到压缩的准直光束，入射到视场分离模块；所述的视场分离模块由四个相同的光路组成，从视场分离模块出射的光成四个相同的像，从四路光路中出射的光经过所述的合像模块，将所述视场分离模块所成的实像耦合到制冷型探测器上，实现100％冷阑效率。
2.如权利要求1所述的中波红外四偏振态同时成像光学系统，其特征是，所述的视场限制模块开普勒望远镜，在一次实像处设置视场光阑，视场光阑是矩形，其尺寸与探测器尺寸相匹配。
3.如权利要求1所述的中波红外四偏振态同时成像光学系统，其特征是，所述的视场分离模块为四路紧密排列的相同的光学系统，唯一不同的是在四路光路中放置偏振方向不同的偏振片，四个子通道的偏振片的偏振方向分别为0°、45°、90°、135°，在分孔径成像系统之后是一个拼接的场镜。
4.如权利要求1所述的中波红外四偏振态同时成像光学系统，其特征是，所述的合像模块为0.5倍的缩小成像系统，滤光片在探测器之前，滤光片可以转换，分为三个不同的波段，分别为3.7μm～4.2μm，4.2μm～4.8μm，3.7μm～4.8μm。
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