CN112130338B - 一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统 - Google Patents

一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，将目标物体发出的光束经过所述前组透镜光学单元成像于中间像面处，形成中间像，所述中间像面处放置亚波长像素偏振器，所述中间像经过所述亚波长像素偏振器，在所述亚波长像素偏振器的每个像素单元处衍射形成携带特定偏振信息的像，具有不同像素偏振特征的像经过所述后组透镜光学单元，成像于所述探测器的接收面，所述探测器的每个像素单元接收到具有不同偏振特征的像，从而实现对整个目标物体的偏振成像，实现了低畸变、高像质、高稳定性、实时信息获取的像素偏振成像光学系统。

Description

一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统
技术领域
本发明涉及偏振成像技术领域，特别涉及一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统。
背景技术
偏振成像技术将光学强度成像和偏振技术有机结合起来，可同时获取目标物体二维空间位置信息和测量目标的偏振态。相比于强度成像，偏振成像增加了三个维度(偏振度、偏振方向、偏振椭圆率)，大大提高了信息量，可在复杂环境中有效检测和识别常规手段无法识别的或隐藏目标，在目标识别和探测方面发挥着越来越重要的作用。
目前已有的偏振测量及成像系统是通过起偏器及波片旋转获得目标的不同偏振态，由于需通过机械旋转获取多幅图像，成像及识别速度很慢，基本无法对动态目标进行实时信息获取及识别。相较于传统偏振器件，近年来发展起来的基于微纳结构的像素式多取向偏振器件可直接与探测器像元一一匹配对应，同时获取目标的多种偏振信息，从而避免了为改变偏振态需增加附带的旋转运动机构，使探测更加快速、稳定。然而在像素式偏振器与探测集成方面，由于微纳结构直接置于探测器表面，产生漏光效应，导致消光比降低，最终测量精度大幅度降低，限制了像素偏振成像技术的发展和应用。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种二次成像光学系统，可解决亚波长像素偏振器直接置于探测器表面产生漏光效应问题，实现亚波长像素偏振器与探测器集成。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，包括：前组透镜光学单元、亚波长像素偏振器、后组透镜光学单元及探测器，目标物体发出的光束经过所述前组透镜光学单元成像于中间像面处，形成中间像，所述中间像面处放置亚波长像素偏振器，所述中间像经过所述亚波长像素偏振器在每个像素单元处衍射形成携带特定偏振信息的像，具有不同像素偏振特性的像经过所述后组透镜光学单元，成像于所述探测器的接收面处，所述探测器的每个像素单元接收到具有不同偏振特性的像，从而实现对整个目标物体的偏振成像。
在一些较佳的实施例中，所述前组透镜光学单元为汇聚单元，所述前组透镜光学单元包括但不限于依次同轴设置的三个正弯月透镜，所述前组透镜光学单元的透镜材料包括但不限于玻璃、ZnSe或Ge。
在一些较佳的实施例中，所述亚波长像素偏振器设置在所述前组透镜光学单元像面处，即中间像面处。所述亚波长像素偏振器的像素单元结构包括但不限于金属亚波长光栅。
在一些较佳的实施例中，所述亚波长像素偏振器的像素单元排列方式和尺寸与所述探测器的每个像素单元的排列方式和尺寸一致。
在一些较佳的实施例中，在中间像面处可以设置内遮光罩，消除视场之外的杂光，降低整个光学系统杂光，提高系统消光比。
在一些较佳的实施例中，所述后组透镜光学单元为转像单元，所述后组透镜光学单元包括但不限于依次同轴设置的五块透镜，所述五块透镜分别为负弯月透镜、正弯月透镜、负弯月透镜、负弯月透镜和正弯月透镜，所述五块透镜的材料包括但不限于玻璃、ZnSe或Ge。
在一些较佳的实施例中，所述后组透镜光学成像单元的缩放比接近1，所述后组透镜光学单元的物方数值孔径与所述前组透镜光学单元的像方数值孔径相等。
在一些较佳的实施例中，所述探测器的每个像素单元接收到的像与所述亚波长像素偏振器的像素单元的衍射成像一一匹配对应。
由于像素偏振器像素单元与探测器像元一一匹配对应，同时获取目标的多种偏振信息，从而避免了为改变偏振态需增加附带的旋转运动机构，使探测更加快速、稳定；另一方面，由于亚波长偏振器与探测器表面分离，避免了漏光效应，提高了系统信噪比。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，将目标物体发出的光束经过前组透镜光学单元成像于中间像面处形成中间像，所述中间像面处放置亚波长像素偏振器，所述中间像经过所述亚波长像素偏振器，在所述亚波长像素偏振器的每个像素单元处衍射形成携带特定偏振信息的像，具有不同像素偏振特征的像经过所述后组透镜光学单元，成像于所述探测器的接收面，所述探测器的每个像素单元接收到具有不同偏振特征的像，从而实现对整个目标物体的偏振成像，实现了低畸变、高像质、高稳定性、实时信息获取的像素偏振成像光学系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统的结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的亚波长像素偏振器结构示意图。
图3是实施例1提供的光学系统的调制传递函数曲线图。
图4是实施例1提供的光学系统的畸变曲线图。
图5是实施例1提供的光学系统子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，为本发明提供的一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统的结构示意图，包括：前组透镜光学单元2、亚波长像素偏振器6、后组透镜光学单元7及探测器13。上述可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统的工作波段为8-10μm，光学系统总长334.91mm，视场角±1.76°，入瞳口径为50mm，光学系统焦距为199.634mm，其工作原理如下：
物平面1的目标物体发出的光束经过所述前组透镜光学单元2成像于中间像面处，形成中间像，所述中间像面处放置亚波长像素偏振器，所述中间像经过所述亚波长像素偏振器6在每个像素单元处衍射形成携带特定偏振信息的像，具有不同像素偏振特征的像经过所述后组透镜光学单元7，成像于所述探测器13的接收面处，所述探测器13的每个像素单元接收到具有不同偏振特征的像，从而实现对整个目标物体的偏振成像。
请参阅图1，前组透镜光学单元2为汇聚系统，包括依次同轴设置的三个正弯月透镜，分别为前组透镜光学单元第一透镜3、前组透镜光学单元第二透镜4及前组透镜光学单元第三透镜5。第一个正弯月透镜材料为Ge，前后表面曲率半径分别为157.3mm和175mm；第二个正弯月透镜材料为Ge，前后表面曲率半径分别为81.7mm和87.3mm；第三个正弯月透镜材料为ZnSe，前后表面曲率半径分别为39.3mm和32.5mm。
请参阅图2，亚波长像素偏振器采用金属线栅像素偏振器，亚波长像素偏振器置于中间像面处。像素单元排列方式和尺寸与探测器像元的排列方式和尺寸一致。像素单元尺寸为17um×17um。亚波长金属光栅为Al光栅，周期400nm，槽深120nm，占宽比0.5，基底为ZnSe，厚度为1mm。
由于亚波长像素偏振器的像素偏振器像素单元与探测器的像元一一匹配对应，同时获取目标的多种偏振信息，从而避免了为改变偏振态需增加附带的旋转运动机构，使探测更加快速、稳定。
进一步地，采用二次成像光学系统，避免了亚波长像素偏振器直接置于探测器表面产生漏光效应的问题，提高系统消光比。另一方面，在中间像面处可以设置内遮光罩(图未示)，消除视场之外的杂光，提高整个光学系统信噪比。
请再参阅图1，后组透镜光学单元7为转像单元，包括依次同轴设置的五块透镜，分别记为后组透镜光学单元第一透镜8、后组透镜光学单元第二透镜9、后组透镜光学单元第三透镜10、后组透镜光学单元第四透镜11、后组透镜光学系统第五透镜12。第一块透镜为负弯月透镜，材料为Ge，前后表面曲率半径分别为37.6mm和41.9mm；第二块透镜为正弯月透镜，材料为ZnSe，前后表面曲率半径分别为143mm和69mm；第三块透镜为负弯月透镜，材料为Ge，前后表面曲率半径分别为173.9mm和47.8mm；第四块透镜为负弯月透镜，材料为ZnSe，前后表面曲率半径分别为31.5mm和26.2mm；第五块透镜为正弯月透镜，材料为ZnSe，前后表面曲率半径分别为11.7mm和8.9mm。
请参阅图1，探测器13为型号UL 04472–051的长波红外探测器，包括了探测器封装窗口14，材料为Ge，厚度为1mm，以及感光接收面15。
请参阅图3为光学系统的调制传递函数曲线图，其中，T表示子午光线的调制传递函数曲线，S表示弧矢光线的调制传递函数曲线，deg表示“度”，为视场角的单位。图4为光学系统的畸变曲线图。从图3和4中可以看到，调制传递函数接近衍射极限，最大畸变值小于0.016。
请参阅图5为像差特征曲线。横坐标表示光束孔径高度，纵坐标表示垂轴像差。曲线纵坐标上对应的区间是子午光束与弧矢光束在理想像平面上的最大弥散范围。曲线的形状由轴外像差如场曲、轴外球差、彗差决定。从图中可以看到，光学系统在视场角±1.76°范围内，像差比较小，这种高像质成像系统对提高偏振成像质量是十分有利的。
当然本发明的可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (8)

1.一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，其特征在于，包括：前组透镜光学单元、亚波长像素偏振器、后组透镜光学单元及探测器，目标物体发出的光束经过所述前组透镜光学单元成像于中间像面处，形成中间像，所述中间像面处放置亚波长像素偏振器，所述中间像经过所述亚波长像素偏振器在每个像素单元处衍射形成携带特定偏振信息的像，具有不同像素偏振特征的像经过所述后组透镜光学单元，成像于所述探测器的接收面处，所述探测器的每个像素单元接收到具有不同偏振特征的像，从而实现对整个目标物体的偏振成像；采用二次成像光学系统，避免了亚波长像素偏振器直接置于探测器表面产生漏光效应的问题，提高系统消光比；所述前组透镜光学单元为汇聚单元，所述前组透镜光学单元包括依次同轴设置的三个正弯月透镜；所述后组透镜光学单元为转像单元，所述后组透镜光学单元包括依次同轴设置的五块透镜，所述五块透镜分别为负弯月透镜、正弯月透镜、负弯月透镜、负弯月透镜和正弯月透镜。
2.如权利要求1所述的一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，其特征在于，所述前组透镜光学单元的透镜材料包括玻璃、ZnSe或Ge。
3.如权利要求1所述的一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，其特征在于，所述亚波长像素偏振器的像素单元结构包括金属亚波长光栅。
4.如权利要求3所述的一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，所述亚波长像素偏振器的像素单元排列方式和尺寸与所述探测器的每个像素单元的排列方式和尺寸一致。
5.如权利要求1所述的一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，其特征在于，在所述中间像面处设置有内遮光罩，以消除视场之外的杂光。
6.如权利要求1所述的一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，所述五块透镜的材料包括玻璃、ZnSe或Ge。
7.如权利要求6所述的一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，所述后组透镜光学成像单元的缩放比接近1，所述后组透镜光学单元的物方数值孔径与所述前组透镜光学单元的像方数值孔径相等。
8.如权利要求1所述的一种可实现亚波长像素偏振器与探测器集成的光学系统，所述探测器的每个像素单元接收到的像与所述亚波长像素偏振器的像素单元的衍射成像一一匹配对应。
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