CN112432707A - 红外波段的偏振分孔径和多光谱成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及偏振分孔径成像和多光谱成像等领域，为了有效抑制背景红外辐射的干扰，提高光学系统探测目标的灵敏度，本发明旨在提出一种红外波段的偏振分孔径和多光谱成像技术，并基于此技术实现多维度红外成像系统。为此，本发明采取的技术方案是，红外波段的偏振分孔径和多光谱成像装置,目标与背景的红外辐射光场首先通过4个大小相等的孔径光阑分为4个通道进行传播，在各个通道内分别经过以不同角度放置的偏振片后进行一次成像；然后再通过旋转式滤光片选择设定的波段以设定的放大倍率二次成像在红外探测器上。本发明主要应用于偏振分孔径成像和多光谱成像场合。

Description

红外波段的偏振分孔径和多光谱成像装置
技术领域
本发明涉及偏振分孔径成像和多光谱成像等领域，适用于红外波段的多维度光学成像系统。
背景技术
随着光电对抗技术的发展，各种红外伪装措施特别是红外迷彩的应用，使目标和背景的辐射特性发生了较大改变，严重影响了红外成像系统的识别能力。偏振特性和光谱信息是红外成像中新的自由度，能够极大提升红外成像系统的目标识别能力及仪器精度。在红外偏振成像中，利用目标物辐射的偏振度信息，可以提高成像系统在复杂背景下对目标的探测和识别能力。例如，在恶劣天气的背景下，偏振成像可以提高成像系统的透雾能力；成像系统应用于海面探测时，偏振成像可以消除耀斑的干扰等等。在红外多光谱成像中，不仅可以获取成像目标的几何形状信息，也可以识别目标的光谱特征差异，使目标和背景之间的对比度反差增大，可有效抑制背景杂波，分辨真假目标，提高系统目标的识别能力。
发明内容
为克服现有技术的不足，为了有效抑制背景红外辐射的干扰，提高光学系统探测目标的灵敏度，本发明旨在提出一种红外波段的偏振分孔径和多光谱成像技术，并基于此技术实现多维度红外成像系统。为此，本发明采取的技术方案是，红外波段的偏振分孔径和多光谱成像装置,目标与背景的红外辐射光场首先通过4个大小相等的孔径光阑分为4个通道进行传播，在各个通道内分别经过以不同角度放置的偏振片后进行一次成像；然后再通过旋转式滤光片选择设定的波段以设定的放大倍率二次成像在红外探测器上。
由偏振成像子系统、合像子系统、光谱分选子系统及探测装置四部分组成；
所述的合像子系统实现将偏振方向不同的四幅中间像耦合到焦平面探测器上的功能，具放大倍率；
所述的光谱分选子系统是一个旋转式滤光片，用于实现频域多光谱成像；
所述的探测装置为制冷型红外焦平面探测器，实现对红外辐射光场的探测；
所述的偏振成像子系统中通过一体化的场镜偏折光线，实现像方远心光路，实现后续的光瞳衔接；每个偏振片在各自的子通道中倾斜角度放置。
所述的合像子系统采用物方远心结构，其物高为偏振成像子系统的像高。
所述的光谱分选子系统的核心是在空间中合理排布的多个不同波段的滤光片，并将滤光片放置于合像子系统的第一像面处。
合像子系统中通过设置物方远心光路，实现偏振成像子系统与合像子系统的光瞳匹配；通过设置一定的系统放大率，使偏振成像子系统的光阑与后续冷阑的高度满足入瞳与出瞳的物象关系，从而控制光线在冷阑上的高度。
本发明的特点及有益效果是：
此多维度红外成像系统将偏振分孔径成像与多光谱成像有机地融合在一起，同时获取目标物的偏振特性与光谱特性，有效提高了在复杂环境下获取清晰目标的可靠度。
单个探测器实现四通道探测，并保证了像面的一致性。本发明中四路通道的红外辐射光场分别成像在探测器的四个不同的位置上，不但保证了图像充满探测面且达到了四副图像保持一致的目的。
本系统采用二次成像结构，将偏振成像子系统的出瞳以一定倍率再次成像在探测器的冷光阑处。同时，偏振成像子系统采用了像方远心光路的设计，合像子系统采用了物方远心光路的设计，整体光学系统实现了光瞳匹配，保证了冷光阑100％的效率，隔离了非场景内的额外热辐射。
附图说明：
图1为本发明多维度红外成像系统的方案示意图。
图2为本发明多维度红外成像系统的光路图。
图3为本发明放置偏振片后的偏振成像子系统的示意图。
图4为本发明偏振成像子系统中的关键部件的设计图：(a)偏振片；(b)场镜。
图5为本发明光谱分选子系统中的旋转式滤光片的示意图。
具体实施方式
本发明采用的技术解决方案：
多维度红外成像系统主要由偏振成像子系统、合像子系统、光谱分选子系统及探测装置四部分组成。所述的偏振成像子系统由4个等大小的孔径光阑，4个偏振方向不同的偏振片，成像物镜及一体化的场镜组成，可以实现对红外辐射光场偏振分孔径成像的功能；所述的合像子系统可以实现将偏振方向不同的四幅中间像耦合到焦平面探测器上的功能，系统设定一定的放大倍率(例如0.5)；所述的光谱分选子系统的核心是一个旋转式滤光片，可以实现频域多光谱成像的功能；所述的探测装置选取制冷型红外焦平面探测器，可以实现对红外辐射光场的高灵敏度探测的功能。
所述的偏振成像子系统的光学设计中，通过一体化的场镜偏折光线，实现了像方远心光路，解决了光学系统后续的光瞳衔接问题。将每个偏振片在各自的子通道中倾斜一定的角度放置，解决了偏振片表面高反射率所带来的冷反射问题。
所述的合像子系统为了与偏振成像子系统进行光瞳匹配，采用了物方远心结构，系统的物高设计为偏振成像子系统的像高。优化设计过程中，通过控制光线在光阑上的高度，满足了系统100％的冷阑效率。
所述的光谱分选子系统的核心是在空间中合理排布的多个不同波段的滤光片(如4个)，并将滤光片放置于合像子系统的第一像面处。为了校正系统的色差、减小系统的热差，光路系统采用了硅、锗、硫化锌等合适的材料进行搭配。
本发明的优点在于：
此多维度红外成像系统将偏振分孔径成像与多光谱成像有机地融合在一起，同时获取目标物的偏振特性与光谱特性，有效提高了在复杂环境下获取清晰目标的可靠度。
单个探测器实现四通道探测，并保证了像面的一致性。本发明中四路通道的红外辐射光场分别成像在探测器的四个不同的位置上，不但保证了图像充满探测面且达到了四副图像保持一致的目的。
本系统采用二次成像结构，将偏振成像子系统的出瞳以一定倍率再次成像在探测器的冷光阑处。同时，偏振成像子系统采用了像方远心光路的设计，合像子系统采用了物方远心光路的设计，整体光学系统实现了光瞳匹配，保证了冷光阑100％的效率，隔离了非场景内的额外热辐射。
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明多维度红外成像系统将偏振分孔径成像技术与多光谱成像技术有机地结合。在本光学系统中，目标与背景的红外辐射光场首先通过4个大小相等的孔径光阑分为4个通道进行传播，在各个通道内分别经过以不同角度放置的偏振片后进行一次成像；然后再通过旋转式滤光片选择特定的波段以一定的放大倍率(例如0.5)二次成像在红外探测器上。
如图2所示，本发明多维度红外成像系统主要由偏振成像子系统、合像子系统、光谱分选子系统和探测装置四部分组成。
本发明的偏振成像子系统由4个等大小的孔径光阑，4个偏振方向不同的偏振片，成像物镜及一体化的场镜组成，系统设定的F数与制冷型探测器相匹配，入瞳直径设计的足够大以保证红外辐射光场尽可能多地入射到光学系统中，子系统所成的四幅中间像的高度相等。如图2所示，偏振成像子系统通过一体化的场镜偏折光线，实现了像方远心光路。如图3所示，将各个通道中的偏振片以一定的角度倾斜放置，解决了偏振片高反射率所带来的冷反射问题。
如图2所示，本发明的合像子系统通过设置物方远心光路，实现了偏振成像子系统与合像子系统的光瞳匹配；通过设置一定的系统放大率，使偏振成像子系统的光阑与后续冷阑的高度满足入瞳与出瞳的物象关系，从而控制光线在冷阑上的高度，满足了系统的100％的冷阑效率。
本发明中偏振成像子系统的关键部件—四路偏振片及一体化场镜，如图4所示。
如图5所示，本发明的光谱分选子系统在各子系统中分别添加了不同波段的滤光片，并将滤光片放置于合像子系统的第一面处。
本发明的探测装置采用制冷型红外焦平面探测器。探测器等分为4个部分，每部分的入瞳直径与之前的系统光路实现光瞳匹配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种红外波段的偏振分孔径和多光谱成像装置，其特征是，目标与背景的红外辐射光场首先通过4个大小相等的孔径光阑分为4个通道进行传播，在各个通道内分别经过以不同角度放置的偏振片后进行一次成像；然后再通过旋转式滤光片选择设定的波段以设定的放大倍率二次成像在红外探测器上。
2.如权利要求1所述的红外波段的偏振分孔径和多光谱成像装置，其特征是，由偏振成像子系统、合像子系统、光谱分选子系统及探测装置四部分组成；
所述的合像子系统实现将偏振方向不同的四幅中间像耦合到焦平面探测器上的功能，具放大倍率；
所述的光谱分选子系统是一个旋转式滤光片，用于实现频域多光谱成像；
所述的探测装置为制冷型红外焦平面探测器，实现对红外辐射光场的探测；
所述的偏振成像子系统中通过一体化的场镜偏折光线，实现像方远心光路，实现后续的光瞳衔接；每个偏振片在各自的子通道中倾斜角度放置。
3.如权利要求1所述的红外波段的偏振分孔径和多光谱成像装置，其特征是，所述的合像子系统采用物方远心结构，其物高为偏振成像子系统的像高。
4.如权利要求1所述的红外波段的偏振分孔径和多光谱成像装置，其特征是，所述的光谱分选子系统的核心是在空间中合理排布的多个不同波段的滤光片，并将滤光片放置于合像子系统的第一像面处。
5.如权利要求1所述的红外波段的偏振分孔径和多光谱成像装置，其特征是，合像子系统中通过设置物方远心光路，实现偏振成像子系统与合像子系统的光瞳匹配；通过设置一定的系统放大率，使偏振成像子系统的光阑与后续冷阑的高度满足入瞳与出瞳的物象关系，从而控制光线在冷阑上的高度。
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