CN111896480B - 一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统 - Google Patents

Abstract

一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，可用于宽波段高能量利用率高分辨率偏振成像技术领域，为了解决现有技术存在的问题，目标光能量同时经子孔径反射镜一、反射镜二、反射镜三和反射镜四反射后，再被所述的次反射镜和三反射镜依次反射，最终依次成像在四区域偏振探测器的感光面的四个象限上；所述的子孔径反射镜一、子孔径反射镜二、子孔径反射镜三、子孔径反射镜四、三反射镜的面形均为自由曲面，次反射镜为平面反射镜。采用反射式光学结构，波段范围很宽的金属线栅微偏振片进行偏振探测，避免透射式元件材料引起的色差导致的成像质量下降，大大拓宽了成像波段，反射式结构具有可轻量化的特点，适用于机载、星载等对系统重量要求严格的场合。

Description

一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统

技术领域

本发明涉及一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，可用于宽波段高能量利用率高分辨率偏振成像技术领域。

背景技术

由于太阳光是一种无偏振的自然光，而地物、大气、空间目标等的太阳反射光是一种部分线偏振光，因此，它们会携带着反射媒介的部分属性。通过对偏振信息的深入反演分析，可以得到目标表面的复折射率、粗糙度、含水量等多种理化参数，因此偏振成像技术应运而生。宽波段偏振成像是未来的重要趋势，如中/长波红外复合，可见光-红外波段复合等，可大幅增加信息获取量，在目标识别和频谱分析等应用中具有相当的优势。

同时偏振成像通过一次曝光获得目标的四幅不同偏振态图像，解决了分时偏振成像中多次分时测量存在的问题。同时偏振成像主要有三种光路结构：1、分振幅型结构，需要多条光路，多个探测器，不利于系统对轻小型化要求；2、分焦平面型结构，将4个不同偏振方向的微型偏振片集成在探测器焦面上相邻的4个像元前，相当于4种偏振态间断性地分视场，不同的偏振态图像间原理性地存在像元间的失配误差；3、分孔径型结构，利用一个再成像系统将多个偏振态图像投影到一个焦平面阵列上，一次曝光获得4个偏振态图像，具有结构紧凑，各偏振态无失配误差的优点。因此，分孔径型结构具有较大的优势。

中国专利公开号为“CN 103197403 B”，专利名称为“一种用于偏振成像仪的分孔径光学镜头”，该镜头所述共孔径镜头组的两组光焦度为正的镜头，其前组镜头为双分离透镜组，后组镜头为分离三片式透镜组。该技术采用透射式的光学系统，其中的透镜、波片等均为透射式元件。当宽波段光学系统中存在透射式元件时，会出现色差和能量吸收损失大等难以克服的缺点。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的问题，提供一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，该系统无遮拦，能量利用率高，结构紧凑，宽波段，同时获取四个偏振态信息的同时偏振成像。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，其特征是，其包括子孔径反射镜一、子孔径反射镜二、子孔径反射镜三、子孔径反射镜四、次反射镜、三反射镜和四区域偏振探测器，目标光能量同时经子孔径反射镜一、反射镜二、反射镜三和反射镜四反射后，再被所述的次反射镜和三反射镜依次反射，最终依次成像在四区域偏振探测器的感光面的四个象限上；

所述的子孔径反射镜一、子孔径反射镜二、子孔径反射镜三、子孔径反射镜四、三反射镜的面形均为自由曲面，次反射镜为平面反射镜。

子孔径反射镜一和子孔径反射镜二的反射面表面形状相同，且关于所述中心切面对称；所述的子孔径反射镜三和子孔径反射镜四的反射面表面形状相同，且关于所述中心切面对称；所述的次反射镜、三反射镜和四区域偏振探测器的中心切面为同一表面。

子孔径反射镜一的孔径偏心量为(a，4a)，子孔径反射镜二的孔径偏心量为(-a，4a)，子孔径反射镜三的孔径偏心量为(a，2a)，子孔径反射镜四的孔径偏心量为(-a，2a)，其中a为任意正自然数，每个子孔径的入瞳直径大小为2a。

子孔径反射镜一、子孔径反射镜二、子孔径反射镜三、子孔径反射镜四和三反射镜的光焦度均为正。

所述的子孔径反射镜三和子孔径反射镜四绕x轴有倾斜，倾斜角度一致，在0～5°之间。

所述次反射镜的面形为球面或二次曲面。

三反射镜具有孔径偏心、整体偏心和整体倾斜，相对于(x,y,z)坐标系，三反射镜在y方向的孔径偏心范围在-5～-20mm之间，在y方向整体偏心1-1.5mm之间，绕x轴倾斜在-5°～-10°之间。

所述四区域偏振探测器的感光面分为四个象限，且各象限包含的像元数量相等；每个象限的像元前面分别附着微偏振片，材质为金属纳米线栅；不同象限的微偏振片偏振方向不同，分别为0°，45°，90°，135°。

四区域偏振探测器的感光面具有整体倾斜，相对于(x,y,z)坐标系，倾斜范围为绕x轴倾斜0～5°。

本发明的有益效果是：

1、可以进行多个偏振态同时成像，有利于对高速运动目标进行探测和侦察。

2、采用反射式光学结构进行设计，并使用工作波段范围很宽的金属线栅微偏振片进行偏振探测，避免透射式元件材料引起的色差导致的成像质量下降，因而大大拓宽了成像波段。同时，反射式结构具有可轻量化的特点，适用于机载、星载等对系统重量要求严格的场合。

3、本发明结构简单，光路中不存在透射式元件如棱镜、波片等会对光能产生吸收效应的透射式元件，并且离轴式光路保证了成像系统无中心遮拦，大大增加光能利用率，因而可用于微弱光环境下的探测。

附图说明

图1为本发明一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统的示意图。

图2为本发明所述的四区域偏振探测器感光面偏振态分布的示意图。

图3中图3a、3b、3c、3d分别为本发明离轴宽波段反射式同时偏振成像系统四个子孔径在中波红外和长波红外波段下不同视场的调制传递函数MTF曲线。

图4中图4a、4b、4c、4d分别为为本发明离轴宽波段反射式同时偏振成像系统四个子孔径在中波红外和长波红外波段下不同视场的点列图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的离轴宽波段反射式同时偏振成像系统做进一步的详细说明。

如图1所示，一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，其包括子孔径反射镜一1、子孔径反射镜二2、子孔径反射镜三3、子孔径反射镜四4、次反射镜5、三反射镜6和四区域偏振探测器7，目标光能量同时经子孔径反射镜一1、反射镜二2、反射镜三3和反射镜四4反射后，被所述的次反射镜5和三反射镜6依次反射，最终在四区域偏振探测器7的感光面成像。所述四区域偏振探测器7的感光面分为四个象限，各象限大小一致，且包含的像元数量相等。每个象限的像元前面分别附着微偏振片，材质为金属纳米线栅。不同象限的微偏振片偏振方向不同，分别为0°，45°，90°，135°，如图2。其中，来自子孔径反射镜一1的光线成像位置在第一象限，来自子孔径反射镜二2的光线成像位置在第二象限，来自子孔径反射镜三3的光线成像位置在第三象限，来自子孔径反射镜四4的光线成像位置在第四象限。从而实现了同一视场范围内景物的不同偏振态成像。

所述的次反射镜5、三反射镜6和四区域偏振探测器7的中心切面为同一表面。子孔径反射镜一1和子孔径反射镜二2的反射面表面形状相同，且关于所述中心切面对称。同样的，所述的子孔径反射镜三3和子孔径反射镜四4的反射面表面形状相同，且关于所述中心切面对称。

所述的子孔径反射镜一1、子孔径反射镜二2、子孔径反射镜三3、子孔径反射镜四4、三反射镜6的面形均为自由曲面。次反射镜5为平面反射镜。本实施例中所有具有自由曲面面形的反射镜均采用同一种形式的自由曲面方程描述，为xy多项式。其表达式如下：

其中，z为面形矢高，c为面形曲率半径，k为二次项系数，A₁，A₂...为多项式系数。

所述的子孔径反射镜一1、反射镜二2、反射镜三3和反射镜四4均具有孔径偏心，即仅截取了其表面所在的自由曲面面形函数中偏离中心的一部分。子孔径反射镜一1、子孔径反射镜二2、子孔径反射镜三3和子孔径反射镜四4，四个子孔径反射镜的自由曲面面形函数处于同一个右手坐标系(x，y，z)中，且四个面形函数的原点重合。

实施例：

如图1所示，本发明的成像光学系统具有子入瞳光阑一11、子入瞳光阑二12、子入瞳光阑三13和子入瞳光阑四14，其位置位于物方光线的入射光路上。每个子入瞳光阑中心与其对应的子孔径反射镜的中心进行连线，四条中心连线互相平行。子入瞳光阑一101和子入瞳光阑二102与其对应的子孔径反射镜的距离为10.34mm，子入瞳光阑三103和子入瞳光阑四104与其对应的子孔径反射镜的距离为11.26mm。

所述成像光学系统的视场角为2°×2°。

所述成像光学系统的工作波段为3-5μm和8-12μm，即中、长波红外波段。

其中：子孔径反射镜1孔径偏心量为(2.5mm，10mm)，子孔径反射镜2偏心量为(-2.5mm，10mm)，子孔径反射镜3偏心量为(2.5mm，5mm)，子孔径反射镜2偏心量为(-2.5mm，5mm)。每个子孔径的入瞳直径大小为5mm。所述的子孔径反射镜三3和子孔径反射镜四4绕x轴有2.5°的倾斜。

各反射面的面形多项式的参数可参见表1：

子孔径反射镜一1、子孔径反射镜二2、子孔径反射镜三3、子孔径反射镜四4和三反射镜6的光焦度均为正。

三反射镜6具有孔径偏心、整体偏心和整体倾斜，相对于(x,y,z)坐标系，三反射镜6在y方向的孔径偏心范围为-8.2mm，在y方向整体偏心1.5mm，绕x轴倾斜-10°。

四区域偏振探测器的感光面具有整体倾斜，相对于(x,y,z)坐标系，倾斜范围为绕x轴倾斜4.625°。

子孔径反射镜一1、子孔径反射镜二2、子孔径反射镜三3和子孔径反射镜四4四个面形函数的原点与次反射镜5的距离为18.008mm；次反射镜5到三反射镜6的距离为17.500mm；三反射镜6到四区域探测器7的距离为13.994mm。

图3是本发明离轴宽波段反射式同时偏振成像系统的各个子孔径分别在中波红外和长波红外波段下的不同视场的调制传递函数MTF曲线，可见各子孔径和各视场曲线接近衍射极限。

图4是离轴宽波段反射式同时偏振成像系统的各个子孔径分别在中波红外和长波红外波段下不同视场的点列图，可见各子孔径和各视场的点斑基本在艾里斑之内，证明系统具有很好的成像质量。

Claims (6)

1.一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，其特征是，其包括子孔径反射镜一(1)、子孔径反射镜二(2)、子孔径反射镜三(3)、子孔径反射镜四(4)、次反射镜(5)、三反射镜(6)和四区域偏振探测器(7)，目标光能量同时经子孔径反射镜一(1)、反射镜二(2)、反射镜三(3)和反射镜四(4)反射后，再被所述的次反射镜(5)和三反射镜(6)依次反射，最终依次成像在四区域偏振探测器(7)的感光面的四个象限上；

所述的子孔径反射镜一(1)、子孔径反射镜二(2)、子孔径反射镜三(3)、子孔径反射镜四(4)和三反射镜(6)的面形均为自由曲面，次反射镜(5)为平面反射镜；

所述的子孔径反射镜一(1)、子孔径反射镜二(2)、子孔径反射镜三(3)、子孔径反射镜四(4)和三反射镜(6)的光焦度均为正；子孔径反射镜一(1)的孔径偏心量为(a，4a)，子孔径反射镜二(2)的孔径偏心量为(-a，4a)，子孔径反射镜三(3)的孔径偏心量为(a，2a)，子孔径反射镜四(4)的孔径偏心量为(-a，2a)，其中a为2.5mm，每个子孔径的入瞳直径大小为2a；子孔径反射镜一(1)、子孔径反射镜二(2)、子孔径反射镜三(3)和子孔径反射镜四(4)四个面形函数的原点与次反射镜(5)的距离为18.008mm；次反射镜(5)到三反射镜(6)的距离为17.500mm；三反射镜(6)到四区域探测器(7)的距离为13.994mm。

2.根据权利要求1所述的一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，其特征在于，所述的次反射镜(5)、三反射镜(6)和四区域偏振探测器(7)的中心切面为同一表面；子孔径反射镜一(1)和子孔径反射镜二(2)的反射面表面形状相同，且关于所述中心切面对称；所述的子孔径反射镜三(3)和子孔径反射镜四(4)的反射面表面形状相同，且关于所述中心切面对称。

3.根据权利要求1所述的一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，其特征在于，所述的子孔径反射镜三(3)和子孔径反射镜四(4)绕x轴有倾斜，倾斜角度一致，在0～5°之间。

4.根据权利要求1所述的一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，其特征在于，三反射镜(6)具有孔径偏心、整体偏心和整体倾斜，相对于(x,y,z)坐标系，三反射镜(6)在y方向的孔径偏心范围在-5～-20mm之间，在y方向整体偏心1-1.5mm之间，绕x轴倾斜在-5°～-10°之间。

5.根据权利要求1所述的一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，其特征在于，所述四区域偏振探测器(7)的感光面分为四个象限，且各象限包含的像元数量相等；每个象限的像元前面分别附着微偏振片，材质为金属纳米线栅；不同象限的微偏振片偏振方向不同，分别为0°，45°，90°，135°。

6.根据权利要求1所述的一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统，其特征在于，四区域偏振探测器(7)的感光面具有整体倾斜，相对于(x,y,z)坐标系，倾斜范围为绕x轴倾斜0～5°。

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