CN112240801A - 偏振成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种偏振成像系统，包括前置镜组、滤光元件、中继镜组和光电探测器；其中，中继镜组采用双远心光路，前置镜组与滤光元件分别位于中继镜组的物方，光电探测器位于中继镜组的像方，前置镜组的像面与中继镜组的前焦面重合，滤光元件位于前置镜组的像面位置；以及，目标光经前置镜组聚焦至中继镜组的前焦面进行一次成像形成第一图像，第一图像经滤光元件滤除无效信息后再经中继镜组进行两次傅里叶变换在光电探测器处进行二次成像。本发明可将光学串扰降低到一个合理的水平，提高目标的能量集中度，具有高信噪比、高自由度、高空间分辨率的特点。同时通过在前置镜组的像面位置切换不同功能的滤波片，可以实现多种模式的成像。

Description

偏振成像系统
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及一种多模式共口径的偏振成像系统。
背景技术
偏振成像系统能提供多维度的目标信息，有效提高对隐身、伪装目标的探测识别能力，广泛应同于机载光电载荷探测领域，可以弥补传统的遥感技术在目标探测方面的缺陷。偏振成像系统通过偏振元件对目标图像的频谱进行分割，通过不同偏振特性的偏振元件捕捉所有偏振调制分量，通过解算得到目标光源的偏振态，以此区分人造目标与自然景致，达到在杂乱背景下凸显伪装目标的目的。
随着分焦平面微偏振阵列的出现，偏振成像系统可以同时获取不同方向的偏振分量，系统结构更加紧凑。但由于光的波动特性和微偏振阵列的有限孔径，造成光经过偏振元件时的衍射效应，当微偏振元件与探测器存在一定距离时，平行光由于衍射效应会变成一定角度的发散光，从而造成微偏振元件相邻像元的光学串扰，严重影响成像质量。实验和模拟数据表明，当探测器焦平面从0.5微米移到1.0微米时，微偏振阵列的像素消光比将降低17％。因此，必须对微偏振阵列的光学串扰加以抑制。
另外，考虑到机载环境的负载限制，目前空间遥感领域的探测方式只采用一种探测设备，但由于偏振阵列对光线具有选择性，只能透过某种特定偏振角度的目标光，损失目标强度，导致光电探测系统在工作过程中会遗失某些微小目标，不能满足多环境下的遥感需求，必须加以改良。
发明内容
本发明旨在解决传统的偏振成像系统存在光学串扰及成像模式单一的技术问题，提供一种多模式共口径的偏振成像系统，利用双远心光路的共轭关系扩大滤光元件的单元尺寸面积，减小滤光元件像元间的光学串扰，同时维持空间分辨率不变，提高系统的成像质量。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种偏振成像系统，包括：前置镜组、滤光元件、中继镜组和光电探测器；其中，中继镜组采用双远心光路，前置镜组与滤光元件分别位于中继镜组的物方，光电探测器位于中继镜组的像方，前置镜组的像面与中继镜组的前焦面重合，滤光元件位于前置镜组的像面位置；以及，目标光经前置镜组聚焦至中继镜组的前焦面进行一次成像形成第一图像，第一图像经滤光元件滤除无效信息后再经中继镜组进行两次傅里叶变换在光电探测器处进行二次成像。
优选地，滤光元件为纳米线栅阵列滤光片或拜耳滤光片。
优选地，偏振成像系统还包括旋转驱动机构，旋转驱动机构包括步进电机、转轮、纳米线栅阵列滤光片和拜耳滤光片，转轮安装在步进电机的输出轴上，转轮沿圆周方向均匀分布有三个中空的安装部，纳米线栅阵列滤光片与拜耳滤光片分别安装在其中的两个安装部上，另一个为空，通过步进电机带动转轮转动，将纳米线栅阵列滤光片或拜耳滤光片切换到前置镜组的像面位置。
优选地，偏振成像系统还包括光学镜筒，中继镜组和光电探测器分别安装固定在光学镜筒内，前置镜组安装在光学镜筒的一侧，步进电机安装固定在光学镜筒的顶部，在光学镜筒对应前置镜组的像面位置开设有避让槽，实现安装部的转动。
优选地，纳米线栅阵列滤光片由至少一个超像素构成，超像素由刻划方向分别为0°、45°、90°、135°的金属线栅像素单元组成。
优选地，拜耳滤光片至少一个超像素组，分别用于探测四个不同的波段，则每个超像素组共探测十六个波段。
优选地，四个超像素分别可用于探测红光、蓝光、绿光和近红外光。
优选地，十六个波段分别为415～425nm、445～455nm、475～485nm、495～505nm、515～425nm、545～555nm、575～585nm、595～605nm、615～625nm、645～655nm、675～685nm、695～705nm、745～755nm、845～855nm、895～905nm、945～955nm。
优选地，光电探测器为CCD探测器。
本发明能够取得以下技术效果：
(1)采用二次成像的光路结构，利用双远心光路的共轭关系扩大滤光元件和光电探测器的单元尺寸面积，再通过中继镜组将图像的单元像素按比例还原为原始像元尺寸，从而将偏差成像系统的光学串扰降低到一个合理的水平，提高目标的能量集中度，具有高信噪比、高自由度、高空间分辨率的特点
(2)通过在前置镜组的像面位置切换不同功能的滤波片，可以实现多种模式的成像，满足不同观测环境下的探测需求。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的偏振成像系统的结构示意图；
图2a是根据本发明一个实施例的强度模式的成像光路示意图；
图2b是根据本发明一个实施例的偏振模式的成像光路示意图；
图2c是根据本发明一个实施例的多光谱模式的成像光路示意图；
图3a是根据本发明一个实施例的纳米线栅阵列滤光片的结构示意图；
图3b是根据本发明一个实施例的拜耳滤光片的结构示意图。
其中的附图标记包括：前置镜组1、旋转驱动机构2、步进电机21、转轮22、纳米线栅阵列滤光片31、拜耳滤光片32、中继镜组4、光电探测器5、光学镜筒6、避让槽61。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面将对本发明实施例提供的偏振成像系统进行详细说明。
本发明实施例提供的偏振成像系统，包括：前置镜组、滤光元件、中继镜组和光电探测器，前置镜组与滤光元件分别位于中继镜组的物方，光电探测器位于中继镜组的像方，前置镜组的像面与中继镜组的前焦面重合，滤光元件位于前置镜组的像面位置。
前置镜组用于对目标光进行一次成像形成第一图像。
滤光元件用于滤除第一图像中的无效信息，使有效信息通过滤光元件。
中继镜组采用双远心光路，用于对滤除无效信息后的第一图像进行两次傅里叶变换在光电探测器处进行二次成像。
光电探测器用于将光信号转换为电信号进行输出。
由此可知，本发明实施例提供的偏振成像系统采用的是二次成像的光路结构，利用双远心光路的共轭关系，扩大滤光元件的单元尺寸面积，再通过中继镜组按比例将图像的单元像素还原为原始像元尺寸，减小光学串扰的同时维持空间分辨率不变，提高偏振成像系统的成像质量。
本发明实施例可以通过切换不同功能的滤光元件来达到多模式成像的目的。为了实现滤光元件的切换，本发明实施例提供的偏振成像系统还专门设计一个实现滤光元件切换的转动机构。下面结合附图对本发明实施例提供的带有转动机构的偏振成像系统进行详细说明。
图1示出了根据本发明一个实施例的偏振成像系统的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的偏振成像系统，包括：前置镜组1、旋转驱动机构2、滤光元件、中继镜组、光电探测器和光学镜筒6；前置镜组1安装固定在光学镜筒6的一端，中继镜组和光电探测器分布安装固定在光学镜筒6内，旋转驱动机构2安装固定在光学镜筒6的顶部。前置镜组1位于中继镜组的物方，前置镜组1的像面位置与中继镜组的前焦面位置重合，滤光元件位于前置镜组1的像面位置，也就是位于中继镜组的前焦面位置，光电探测器位于中继镜组的像面位置。
偏振成像系统的成像原理为：目标光经前置镜组1在中继镜组的前焦面进行一次成像，经滤光元件滤除无效信息后再经中继镜组进行两次傅里叶变换在光电探测器处进行二次成像，最终通过光电探测器采集图像信息。
旋转驱动机构2包括步进电机21和转轮22，转轮22包括内环和外环，内环与外环之间通过支撑杆连接，内环套装在步进电机21的输出轴上，在外环上沿圆周方向分布有三个圆形的安装部，三个安装部均为中空结构，步进电机21用于驱动三个安装部以输出轴为旋转中心转动。
本发明实施例的滤光元件包括两个，一个是纳米线栅阵列滤光片31，另一个是拜耳滤光片32。纳米线栅阵列滤光片31用于对图像的频谱进行调制，而拜耳滤光片32用于对图像的光谱进行选择性透过。
将转轮22的三个安装部分别称作第一安装部、第二安装部和第三安装部，纳米线栅阵列滤光片31安装在第一安装部内，拜耳滤光片32安装在第二安装部内，第三安装部不安装滤光元件，将其为空置，使目标光直接透过第三安装部。
在光学镜筒6上对应于前置镜组1的像面位置开设有避让槽61，使转轮22的三个安装部在转动时不与光学镜筒6发生干涉。避让槽61还能够使三个安装部伸入到光学镜筒6内，实现纳米线栅阵列滤光片31、拜耳滤光片32在前置镜组1的像面位置处的切换。
通过步进电机21可选择性的将不同功能的滤光元件切换到偏振成像系统的成像光路中，以实现偏振成像系统在不同探测环境下的不同成像模式。当步进电机21驱动转轮22将纳米线栅阵列滤光片31转入偏振成像系统的成像光路时，偏振成像系统的成像模式为偏振模式。当步进电机21驱动转轮22将拜耳滤光片32转入偏振成像系统的成像光路时，偏振成像系统的成像模式为多光谱模式。当步进电机21驱动转轮22将不安装滤光元件的第三安装部转入偏振成像系统的成像光路时，偏振成像系统的成像模式为强度模式。下面分别对这三种模式进行详细说明。
一、强度模式
图2a示出了根据本发明一个实施例的强度模式的成像光路。
如图2a所示，在强度模式下，目标光经过前置镜组1聚焦在像面处，即在中继镜组4的前焦面处进行一次成像，前置镜组1的焦距为360mm，孔径为90mm，该强度模式下，中继镜组4的前焦面处未放置滤光元件，目标光经中继镜组4二次成像在光电探测器5上，中继镜组4采用双远心光路，放大倍率1/2，工作距离100mm。中继镜组4由透镜构成，透过率大于99％，可以看作强度无损图像。光电探测器5采用CCD探测器，将接收到的光信号转化为电信号输出，CCD探测器的光谱响应范围为400nm～1000nm，像素尺寸为5*5μm，分辨率为2464*2056。
二、偏振模式
图2b示出了根据本发明一个实施例的偏振模式的成像光路。
如图2b所示，在偏振模式下，前置镜组1将目标光聚焦到中继镜组4的前焦面进行一次成像，所成的图像经中继镜组4前焦面位置的纳米线栅阵列滤光片31调制分成四个互不混叠的区域，获得不同偏振分量的偏振光，再经中继镜组4二次成像在光电探测器5上，通过对光电探测器5像元响应的解算，可以获得目标光的偏振信息。
图3a示出了根据本发明一个实施例的纳米线栅阵列滤光片的结构。
如图3a所示，纳米线栅阵列滤光片由至少一个超像素构成，每个超像素中包含四种不同方向的金属线栅像素单元，四种金属线栅像素单元的刻划方向分别为0°、45°、90°、135°。金属线栅像素单元的尺寸为10*10μm，线栅占空比为50％，线栅高度为200nm，消光比大于八十。
三、多光谱模式
图2c示出了根据本发明一个实施例的多光谱模式的成像光路。
如图2c所示，在多光谱模式下，前置镜组1将目标光聚焦到中继镜组4的前焦面进行一次成像，所成的图像经中继镜组4前焦面位置的拜耳滤光片32进行光谱调制，再经中继镜组4二次成像在光电探测器5上，由此获得图像的多光谱信息。
图3b示出了根据本发明一个实施例的拜耳滤光片的结构。
如图3b所示，拜耳滤光片由至少一个超像素组构成，每个超像素组包括四个超像素，每个超像素组中的四个超像素可分别探测不同波段的光，例如四个超像素分别用于探测红光、蓝光、绿光和近红外(NIR)光。每个超像素也可探测一个大波段中四个不同小波段的光。通过单次曝光获得的图像，拜耳滤光片可同时探测多达十六个不同波段。
在本发明的一个具体实施例中，每个超像素的像素单元尺寸为10*10μm。
在图3b中，B1、B2、B3、B4构成一个超像素，G1、G2、G3、G4构成一个超像素，R1、R2、R3、R4构成一个超像素，N1、N2、N3、N4构成一个超像素。B1的波段为415～425nm、B2的波段为445～455nm、B3的波段为475～485nm、B4的波段为495～505nm、G1的波段为515～425nm、G2的波段为545～555nm、G3的波段为575～585nm、G4的波段为595～605nm、R1的波段为615～625nm、R2的波段为645～655nm、R3的波段为675～685nm、R4的波段为695～705nm、N1的波段为745～755nm、N2的波段为845～855nm、N3的波段为895～905nm、N4的波段为945～955nm。
由于中继镜组4采用双远心光路，在多光谱模式和偏振模式下，对中继镜组4的前焦面所成的图像进行两次傅立叶变换，其作用是缩小像面大小，维持空间分辨率不变，最终成像在光电探测器5上。
更为具体地，中继镜组4由两块透镜组成双远心光路，两块透镜的中心分别具有光孔，从中继镜组4的前焦面到第一透镜，是一次夫琅禾费衍射，起到分频作用；从第一透镜的后焦面到第二透镜，又是一次夫琅禾费衍射，起到合光作用。每次衍射都是从焦面到焦面，连续两次傅里叶变换，函数的形式基本复原，图像倒置。根据衍射光学理论，光学系统发生衍射的程度与孔径大小密切相关，因此能够成倍数扩大滤光元件的结构单元尺寸，通过中继镜组4的调焦，将图像的单元像素还原为原始尺寸，使得通过每一个滤光元件的点目标都成像在光电探测器对应的像元上，保证在降低滤光元件相邻像元的光学串扰的条件下，维持空间分辨率不变，从而提高偏振成像系统的成像质量。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种偏振成像系统，包括：前置镜组、滤光元件、中继镜组和光电探测器；其中，所述中继镜组采用双远心光路，所述前置镜组与所述滤光元件分别位于所述中继镜组的物方，所述光电探测器位于所述中继镜组的像方，所述前置镜组的像面与所述中继镜组的前焦面重合，所述滤光元件位于所述前置镜组的像面位置；以及，目标光经所述前置镜组聚焦至所述中继镜组的前焦面进行一次成像形成第一图像，所述第一图像经所述滤光元件滤除无效信息后再经所述中继镜组进行两次傅里叶变换在所述光电探测器处进行二次成像。
2.根据权利要求1所述的偏振成像系统，其特征在于，所述滤光元件为纳米线栅阵列滤光片或拜耳滤光片。
3.根据权利要求2所述的偏振成像系统，其特征在于，还包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构包括步进电机和转轮，所述转轮安装在所述步进电机的输出轴上，所述转轮沿圆周方向均匀分布有三个中空的安装部，所述纳米线栅阵列滤光片与所述拜耳滤光片分别安装在其中的两个安装部上，另一个为空，通过所述步进电机带动所述转轮转动，将所述纳米线栅阵列滤光片或所述拜耳滤光片切换到所述前置镜组的像面位置。
4.根据权利要求3所述的偏振成像系统，其特征在于，还包括光学镜筒，所述中继镜组和所述光电探测器分别安装固定在所述光学镜筒内，所述前置镜组安装在所述光学镜筒的一侧，所述步进电机安装固定在所述光学镜筒的顶部，在所述光学镜筒对应所述前置镜组的像面位置开设有避让槽，实现所述安装部的转动。
5.根据权利要求2或3所述的偏振成像系统，其特征在于，所述纳米线栅阵列滤光片由至少一个超像素构成，所述超像素由刻划方向分别为0°、45°、90°、135°的金属线栅像素单元组成。
6.根据权利要求2或3所述的偏振成像系统，其特征在于，所述拜耳滤光片至少一个超像素组，每个超像素组包括四个超像素，分别用于探测四个不同的波段，则每个超像素组共探测十六个波段。
7.根据权利要求6所述的偏振成像系统，其特征在于，四个超像素分别可用于探测红光、蓝光、绿光和近红外光。
8.根据权利要求7所述的偏振成像系统，其特征在于，十六个波段分别为415～425nm、445～455nm、475～485nm、495～505nm、515～425nm、545～555nm、575～585nm、595～605nm、615～625nm、645～655nm、675～685nm、695～705nm、745～755nm、845～855nm、895～905nm、945～955nm。
9.根据权利要求1所述的偏振成像系统，其特征在于，所述光电探测器为CCD探测器。
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