CN113834639A - 基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统 - Google Patents
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Abstract
基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，涉及空间光学技术领域。解决现有星载海洋遥感中系统实现成本高、结构复杂、无法实时观测等问题，包括地面矫正镜与航天防辐射镜组、双高斯成像镜组、像质矫正镜组、像素级探测器等四部分组成。目标发射的光束经过外遮光罩滤过部分杂散光，经成像镜组与像质校正镜组，最终成像与接收像素级偏振探测器处，所述接收像面所得到的为目标0°、45°、90°、135°的四张海洋目标的偏振图像信息；所述的光学系统设置视场光阑和内外遮光罩。本发明光学系统设计成双高斯物镜的形式，严格控制了光学系统总长，用于星载成像时节约星上空间，降低相机质量，节省发射成本。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学技术领域。具体涉及一种基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统。
背景技术
偏振成像技术作为遥感对地观测成像领域的新型技术，在恶劣环境下获取远距离图像的信息，表征目标的强度、粗糙度、纹理结构等方面。与传统成像探测相比，能够提供包括偏振及其所有强度信息在内的综合信息，增强对目标的判别性或识别能力。利用目标本身的辐射强度差异和偏振特性差异区分目标和背景，能够有效的突出目标的轮廓信息、增强图像的细节，便于外部形状和表面信息的勘测，故偏振成像技术在海洋遥感探测领域具有重要的应用价值。
海洋遥感成像的探测目标为海面上的舰船，多为动态目标。目前较为成熟且广泛应用的偏振相机的成像模式有分时型偏振成像、分振幅型偏振成像、分孔径型偏振成像、分焦面型偏振成像。其中，若采用分时偏振成像模式存在测量误差，分振幅成像模式和分孔径成像系统体积庞大不适用天基系统，而采用分焦面型实时成像技术可解决这些问题。基于以上背景需求，设计了一种基于多偏振态的超微纳透射式光学系统，具有消色差和低畸变的成像特性。
发明内容
本发明为解决现有星载海洋遥感中系统实现成本高、结构复杂、无法实时观测等问题，提出一种基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统。
基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，包括依次同轴设置的地面矫正镜与航天防辐射镜组、双高斯成像镜组、像质矫正镜组和像素级偏振探测器；
所述像素级偏振探测器，集成了纳米线偏振滤光片，由透镜层、偏振信息采集层和光敏电路层组成；
所述偏振信息采集层放置在微透镜阵列下方的传感器像素阵列上；像素级偏振探测器包括用于测量的像素通道，四个相邻的像素通道形成一个偏振单元；每个偏振单元对应的通道具有不同角度的纳米线偏振滤光片像素；
目标发射的光束经过外遮光罩滤过部分杂散光后，经双高斯成像镜组与像质矫正镜组，最终在所述像素级偏振探测器处成像；在所述探测器的接收像面获得目标分别为0°、45°、90°、135°的四张目标的偏振图像信息。
本发明的有益效果：
本发明所述的光学系统比可见光和多光谱系统更高效探测景物目标的空间偏振态和辐射强度等信息，旨在提升天基载荷对目标探测的成像性能。整体光学系统设计成双高斯物镜的形式，严格控制了光学系统总长，用于星载成像时节约星上空间，降低相机质量，节省发射成本。
附图说明
图1为本发明所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统的二维图像示意图。
图2为本发明所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统的色差曲线图。
图3为本发明所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统的调制传递函数曲线图。
图4为本发明所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统的畸变曲线图。
图5为本发明所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统的外遮光罩设计示意图。
图6为分别在0°、2.6°、3.2°、4.6°弥散斑效果图。
具体实施方式
结合图1至图6说明本发明实施方法，基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，本实施方式中的光学系统的工作谱段为450～850nm，入瞳口径为 20mm，光学系统焦距为68mm，全视场9.2，系统总长76mm。
本实施方式所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，包括地面矫正镜与航天防辐射镜组1、双高斯成像镜组2、像质矫正镜组3以及像素级偏振探测器4；
如图1所示，整个光学系统由十片透镜组成，均是球面透镜。具体为包括依次同轴设置的地面矫正镜与航天防辐射镜组1中的第一透镜1-1和第二透镜 1-2；双高斯成像镜组2中的第三透镜2-1、第四透镜2-2、第五透镜2-3、第六透镜2-4、第七透镜2-5和第八透镜2-6；像质矫正镜组3中的第九透镜3-1和第十透镜3-2以及像素级偏振探测器4。
所述像素级偏振探测器，集成了纳米线偏振滤光片，由透镜层、偏振信息采集层和光敏电路层组成。偏振信息采集层直接放置在微透镜阵列下方的传感器像素阵列上。与微透镜阵列顶部的偏振滤光片相比，这种设计降低了偏振光被错误引导到相邻像素(串扰)并以错误角度被检测到的可能性。其中，像素级偏振探测器包含用于测量的像素通道。每个像素通道的大小为3.45×3.45um2，四个相邻的像素通道形成一个偏振单元。每个偏振单元对应的通道具有不同角度(0°、45°、90°、135°)的纳米线偏振滤光片像素。
目标发射的光束经过外遮光罩滤过部分杂散光，经双高斯成像镜组2与像质矫正镜组3，最终成像与接收像素级偏振探测器4处，接收像面所得到的为目标0°、45°、90°、135°的四张海洋目标的偏振图像信息；所述的光学系统设置视场光阑外遮光罩。
本实施方式中，所述的第一透镜1-1是平行平板玻璃，材料为H-K9L，用于在压强为1Kpa下用于地面做实验，第二透镜1-2是航天防辐射玻璃，材料为 SILICA，此外，为了适于空间环境使用，系统中不使用胶合部件，不选择有辐射性的镧系玻璃。
第六透镜和第九透镜为正弯月透镜，第七透镜为双凸透镜，第五透镜2-3、第六透镜2-4、第十透镜3-2为火石玻璃，第七透镜2-5、第八透镜2-6、第九透镜3-1为冕牌玻璃。
本实施方式中，所述双高斯成像镜组2中的第三透镜2-1、第四透镜2-2、第五透镜2-3与第六透镜2-4、第七透镜2-5、第八透镜2-6形成对称型光学结构，可使垂轴像差如彗差、倍率色差、畸变得到自动校正。
本实施方式中，所述光学系统的视场光阑在第五透镜2-3与第六透镜2-4之间，系统在同一视场子午T曲线和弧矢S曲线越接近，系统的像散越小，选择合适的光阑位置进行像散的赛德尔像差校正。
如图2所示，可知轴向色差在±3um变化范围内，相对孔径达到1/3.5、实际光学总长(去掉地面矫正镜)限制在70mm范围内的高质量光学系统而言，必须考虑消除二级光谱的问题。长短两种波长消色差，即两种波长的像面相重合，中心波长的像面并不与其重合，二级光谱的存在严重地影响混合光的传递函数，根据消色差公式计算得到采用玻璃对H-FK61、TF3、H-ZPK5的色差系数相差较大，组合使用以复消色差。
本实施方式所述的光学系统中，系统焦距68mm和总长70mm接近,可以看出使光学结构位置排布紧凑无遮挡，降低了装调难度，缩短了系统的总长，图3 为基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统的调制传递函数曲线图，可以看出在145lp/mm(奈奎斯特频率)调制传递函数接近极限衍射，成像质量良好。
本实施方式中，第三透镜2-1、第四透镜2-2、第七透镜2-5、第十透镜3-2 的光焦度正光焦度较大，产生正畸变，而第五透镜2-3、第六透镜2-4、第七透镜2-6、第九透镜3-1光焦度为负光焦度，用以平衡前面所述透镜产生的正畸变，达到了有效消除畸变的作用。图4为基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统的畸变曲线图，最大畸变量为0.0034。
本实施方式所述的光学系统为满足空间光学相机的信噪比需求(若不能有效消除杂散光，空间光学的背景噪声很高)，则要求光学镜头的入瞳直径越大时，杂散光抑制性能越高，导致镜头体积越大，遮光罩越大。杂散光对光学系统的影响非常明显，会导致像面上的清晰度下降，通常情况下，在光学系统前设置遮光罩可以有效的抑制杂散光。
相机遮光罩的尺寸是由光学系统的孔径间的比值计算出二级遮光罩末端口径的尺寸，如图5所示，整个系统的外遮光罩的设计如图所示，太阳光辐射下产生一定量的杂散光，依次经过45°设置的二级遮光罩A、30°设置的一级遮光罩B，最终到达基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统C，将上述遮光罩代入系统进行杂散光分析，选取最佳的作为最终的外遮光罩。
本实施方式中，外遮光罩的作用为拦截视场外直接进入相机内的非成像光线，由于外遮光罩的内表面具有一定的反射率，入射到外遮光罩内表面的光线经内表面反射后入射到透镜组表面和镜座表面，经过多次反射后也会在像面形成杂光。因此，除了在外部设置遮光罩，也应在相机结构内壁涂消光黑漆并设置挡光环来遮拦杂散光。
本实施方式所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，加工后的相机实时对目标拍摄，为了在实验室状态下完成高数据率遥感相机成像性能的测试，将测试过程中将整个成像系统作为一个线性系统，采用输入信号与输出信号的灰度值进行比较的方法得到整机成像系统的MTF。搭建MTF的测试系统，整个测试系统由光源、靶标、平面镜、被测相机、图像接收及传输装置以及计算机终端组成。最终测试如图6所示，可见分别在0°、2.6°、3.2°、4.6°弥散斑中心及其边界清晰，可证实整个系统成像质量良好。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，包括依次同轴设置的地面矫正镜与航天防辐射镜组(1)、双高斯成像镜组(2)、像质矫正镜组(3)和像素级偏振探测器(4)；其特征是：
所述像素级偏振探测器(4)，集成了纳米线偏振滤光片，由透镜层、偏振信息采集层和光敏电路层组成；
所述偏振信息采集层放置在微透镜阵列下方的传感器像素阵列上；像素级偏振探测器包括用于测量的像素通道，四个相邻的像素通道形成一个偏振单元；每个偏振单元对应的通道具有不同角度的纳米线偏振滤光片像素；
目标发射的光束经过外遮光罩滤过部分杂散光后，经双高斯成像镜组(2)与像质矫正镜组(3)，最终在所述像素级偏振探测器(4)处成像；在所述探测器的接收像面获得目标分别为0°、45°、90°、135°的四张目标的偏振图像信息。
2.根据权利要求1所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，其特征在于：所述地面矫正镜与航天防辐射镜组包括第一透镜(1-1)和第二透镜(1-2)；
所述双高斯成像镜组包括第三透镜(2-1)、第四透镜(2-2)、第五透镜(2-3)、第六透镜(2-4)、第七透镜(2-5)和第八透镜(2-6)；
所述像质矫正镜组包括第九透镜(3-1)和第十透镜(3-2)。
3.根据权利要求2所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，其特征在于：所述的第一透镜(1-1)是平行平板玻璃，材料为H-K9L，用于在压强为1Kpa下用于地面应用，第二透镜(1-2)为航天防辐射玻璃，材料为SILICA。
4.根据权利要求2所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，其特征在于：第六透镜和第九透镜为正弯月透镜，第七透镜为双凸透镜，第五透镜(2-3)、第六透镜(2-4)、第十透镜(3-2)为火石玻璃，第七透镜(2-5)、第八透镜(2-6)、第九透镜(3-1)为冕牌玻璃。
5.根据权利要求2所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，其特征在于：所述第三透镜(2-1)、第四透镜(2-2)、第五透镜(2-3)与第六透镜(2-4)、第七透镜(2-5)、第八透镜(2-6)形成对称型光学结构。
6.根据权利要求2所述的基于像素级偏振片的消畸变超微纳光学系统，其特征在于：还包括视场光阑，所述视场光阑设置在第五透镜(2-3)与第六透镜(2-4)之间。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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