專利名稱：一種分孔徑偏振成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分孔徑偏振成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的偏振成像方法主要有三種，一種是基于分時(shí)的成像技術(shù)，該方法將偏振片固定在成像系統(tǒng)之前，通過手動(dòng)/電動(dòng)旋轉(zhuǎn)偏振片到不同的線偏振方向，來獲取不同偏振態(tài)的圖像；另外一種是基于波前分束的成像技術(shù)，該方法用分束鏡將目標(biāo)光束分光成多束，并采用多偏振片和多探測(cè)器的方式對(duì)同一場(chǎng)景實(shí)時(shí)成像，通常，每一個(gè)探測(cè)器測(cè)量場(chǎng)景的一種偏振態(tài)；第三種是申請(qǐng)?zhí)枮?00910237178. 7公開的一種實(shí)時(shí)小型偏振成像裝置，該裝置包括透鏡陣列、偏振片陣列和一個(gè)大面陣CCD，透鏡陣列包括四個(gè)排列在同一平面上的透 鏡，偏振片陣列包括四個(gè)不同偏振方向的偏振片，且所述大面陣CCD的尺寸與透鏡陣列、偏振片陣列的尺寸吻合，進(jìn)入該裝置的光線首先透過透鏡陣列、然后通過放置在透鏡陣列后的偏振片陣列中的四個(gè)偏振片同時(shí)成像，所述圖像同時(shí)被放置在偏振片陣列后方的大面陣CXD采集，將采集到的圖像送入圖像處理系統(tǒng)從而得到完整的偏振圖像。基于分時(shí)的方法簡單易行，但是以損失時(shí)間分辨率為代價(jià)，無法對(duì)于變化的場(chǎng)景或者移動(dòng)的目標(biāo)成像，實(shí)時(shí)性較差，同時(shí)存在多偏振圖像的配準(zhǔn)問題?；诓ㄇ胺质姆椒ń鉀Q多偏振態(tài)實(shí)時(shí)成像問題，但是由于采用多光路、多探測(cè)器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)體積龐大，不便于裝調(diào)，且造價(jià)昂貴。第三種偏振成像裝置較前兩種有較大的技術(shù)進(jìn)步，但該裝置由于采用4個(gè)透鏡直接對(duì)與之對(duì)應(yīng)的4個(gè)偏振光進(jìn)行成像，由于4個(gè)透鏡的光軸不在同一條直線上，用同一個(gè)大面陣CXD接收時(shí)的成像質(zhì)量很差，還很可能會(huì)發(fā)生像面重疊的情況。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種分孔徑偏振成像系統(tǒng)，能夠用一套光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分孔徑偏振成像，而不發(fā)生像面重疊的現(xiàn)象，同時(shí)提高成像質(zhì)量。本發(fā)明的一種分孔徑偏振成像系統(tǒng)，包括沿入射光線傳播方向依次同軸放置的攝遠(yuǎn)物鏡、濾光片、視場(chǎng)光闌、場(chǎng)鏡、準(zhǔn)直模塊、孔徑分割模塊、聚焦成像模塊和CCD探測(cè)器，其中所述孔徑分割模塊包括偏振片陣列和子透鏡陣列，所述偏振片陣列放置在準(zhǔn)直模塊后方，偏振片陣列中以2X2陣列分布的4個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)放置至少3個(gè)具有不同偏振角度的偏振片；所述子透鏡陣列放置在偏振片陣列后方，其中的4個(gè)透鏡以2X2陣列布置，每個(gè)透鏡分別對(duì)準(zhǔn)一個(gè)所述的圓形區(qū)域；所述聚焦成像模塊包括沿光軸方向依次排列的第十透鏡、第i^一透鏡和第十二透鏡，其中，第十透鏡為負(fù)透鏡，用來消除系統(tǒng)中的場(chǎng)曲；第十一透鏡為正透鏡，第十二透鏡為彎月透鏡，兩者組合成為一個(gè)正透鏡，用于消除系統(tǒng)的球差和彗差；同時(shí)，第十透鏡、第十一透鏡和第十二透鏡的組合最終將從子透鏡陣列出射的光束分別成像在CXD探測(cè)器的四個(gè)象限上，且保證4個(gè)圖像彼此分開。所述偏振片陣列中有4個(gè)偏振片，其偏振角度分別為0°、45°、90°和135°。所述偏振片陣列中有3個(gè)偏振片，其偏振角度分別為0° ,60°和120°。所述場(chǎng)鏡為球面透鏡，其前表面曲率半徑為26. 1963mm，后表面曲率半徑為-136. 3237mm,前表面和后表面的距離為IOmm ；所述準(zhǔn)直模塊包括第五透鏡、第六透鏡和第七透鏡，其中第五透鏡為球面透鏡，其前表面曲率半徑為-17. 5155mm,與場(chǎng)鏡后表面距離為15. 2058mm ;后表面曲率半徑為30. 40390mm,前表面和后表面的距離為I. 8mm ； 第六透鏡為球面透鏡，其前表面曲率半徑為-258. 4155mm，與第五透鏡后表面距離為IOmm ;后表面曲率半徑為-32. 5799mm,前表面和后表面的距離為13. 9979mm ；第七透鏡為雙膠合透鏡，其前表面曲率半徑為140. 61127mm，與第六透鏡后表面距離為IOmm ;其膠合面曲率半徑為-84. 7610mm,與第七透鏡前表面的距離為IOmm;后表面曲率半徑為40. 0286mm,與膠合面的距離為IOmm ；所述偏振片陣列厚度為2mm,其前表面與第七透鏡后表面距離為9. 7862mm ；所述子透鏡陣列的前表面與偏振片陣列后表面距離為Imm;所述聚焦成像模塊包括第十透鏡、第十一透鏡和第十三透鏡，其中第十透鏡的前表面為平面，與子透鏡陣列后表面貼合；后表面曲率半徑為71. 6046mm，前表面和后表面的距離為I. 8mm ；第十一透鏡的前表面曲率半徑為248. 2664mm,與第十透鏡后表面距離為83. 9530mm ;后表面曲率半徑為-120. 6947mm,前表面和后表面的距離為IOmm ；第十二透鏡為彎月透鏡，其前表面曲率半徑為33. 5885mm，距離第六透鏡后表面距離為O. 5mm ;后表面曲率半徑為43. 3481mm,前表面和后表面的距離為9. 8447mm ；CXD探測(cè)器的像面距離第十二透鏡的后表面距離為38. 3174mm。所述CXD探測(cè)器的對(duì)角線長度為16. 59mm;所述場(chǎng)鏡前表面的半孔徑高為9. 0200mm,后表面的半孔徑高為8. 5498mm ；所述第五透鏡的前表面半孔徑高為6. 4169mm,后表面的半孔徑高為6. 7050mm;所述第六透鏡前表面的半孔徑高為10. 7520mm，后表面的半孔徑高為12. 2530mm ；所述第七透鏡前表面的半孔徑高為16. 7667mm,膠合面的半孔徑高為16.4409mm,后表面的半孔徑高為16. 5120mm ；所述偏振片陣列的前表面半孔徑高為15. 3605mm，后表面的半孔徑高為15.2224mm ；所述子透鏡陣列的半孔徑高為6. 1594mm ；所述第十透鏡的前表面半孔徑高為14. 9046mm，后表面的半孔徑高為14. 7349mm ；所述第十一透鏡的前表面半孔徑高為21. 1277mm，后表面的半孔徑高為21.2072mm ；所述第十二透鏡的前表面半孔徑高為20. 1894mm,后表面的半孔徑高為17.8470mm。本發(fā)明的一種分孔徑偏振成像系統(tǒng)具有如下有益效果I、本發(fā)明通過一套光學(xué)成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分孔徑偏振成像，采用聚焦成像模塊校正場(chǎng)曲消除球差和彗差，從而提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，使像面不發(fā)生重疊的現(xiàn)象。2、當(dāng)成像環(huán)境較暗的情況下，可將偏振片陣列中放置三個(gè)偏振角度不同的線偏振片(0°，60° ,120° )，余下的一個(gè)孔徑進(jìn)行非偏成像。在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，兼顧了成像照度的影響，從而彌補(bǔ)了光線通過偏振片所帶來的能量的損失。


圖I為本發(fā)明的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的偏振片陣列示意圖；圖3為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中的偏振片陣列示意圖；圖4為本發(fā)明的子透鏡陣列示意圖；圖5為本發(fā)明的成像系統(tǒng)MTF曲線圖；圖6為本發(fā)明的成像系統(tǒng)經(jīng)過公差分析之后的結(jié)果。其中，I-攝遠(yuǎn)物鏡，2-濾光片,3-視場(chǎng)光闌,4-場(chǎng)鏡,5-第五透鏡,6-第六透鏡，7-第七透鏡，8-偏振片陣列，9-子透鏡陣列，10-第十透鏡，11-第H^一透鏡，12-第十二透鏡，13-CCD探測(cè)器13。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明提供了一種分孔徑偏振成像系統(tǒng)，為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中由4透鏡直接對(duì)偏振光線成像帶來的成像質(zhì)量差的問題，考慮在系統(tǒng)中采用一個(gè)負(fù)透鏡和一個(gè)正透鏡來解決該問題，則負(fù)透鏡用來消除系統(tǒng)內(nèi)的場(chǎng)曲，正透鏡消除球差和彗差，為了更好地消除球差和彗差，考慮采用多個(gè)透鏡組合成一個(gè)正透鏡的方案，但考慮到光線透過率、加工成本和加工難易程度，確定采用一個(gè)正透鏡和一個(gè)彎月透鏡的組合來實(shí)現(xiàn)上述目的。又由于子透鏡陣列9中的4個(gè)透鏡直接投射成像會(huì)導(dǎo)致圖像重疊問題，因此，可根據(jù)4個(gè)透鏡的光學(xué)參數(shù)以及CCD探測(cè)器13的大小，來設(shè)計(jì)聚焦成像模塊中3個(gè)透鏡的參數(shù)，以對(duì)從子透鏡陣列9出射的光線的進(jìn)行折射，來實(shí)現(xiàn)將4個(gè)圖像進(jìn)行匯聚或者發(fā)散，最終實(shí)現(xiàn)將4個(gè)圖像分別成像在CXD探測(cè)器13的四個(gè)象限上，且保證4個(gè)圖像彼此分開，不發(fā)生重疊。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，如圖I所示，在偏振片陣列8前端還設(shè)置了依次同軸放置的攝遠(yuǎn)物鏡1，濾光片2，視場(chǎng)光闌3，場(chǎng)鏡4和準(zhǔn)直模塊，其中，攝像物鏡的結(jié)構(gòu)為四組元的機(jī)械補(bǔ)償變焦結(jié)構(gòu)，變焦范圍18 200mm，覆蓋長、中、短各焦段，變焦過程像面位置恒定，在像方焦面處。濾光片2對(duì)成像波段進(jìn)行選擇，通過將其他波段的光線濾除，從而改善成像質(zhì)量。視場(chǎng)光闌3在變焦過程中口徑保持不變，用來限制成像視場(chǎng)范圍。場(chǎng)鏡4的其位置靠近視場(chǎng)光闌3，即像面處，其作用是降低光束在后續(xù)準(zhǔn)直模塊的投射高，從而減小通光口徑。場(chǎng)鏡4只引入場(chǎng)曲，不產(chǎn)生其它像差，這是它在成像上的優(yōu)點(diǎn)。第五透鏡5、第六透鏡6和第七透鏡7 一起構(gòu)成了準(zhǔn)直模塊，目的是為了產(chǎn)生各個(gè)視場(chǎng)的平行光，并且各個(gè)視場(chǎng)主光線相交于出瞳處，相當(dāng)于目鏡的作用。第五透鏡5和第七透鏡7構(gòu)成正負(fù)遠(yuǎn)離的透鏡，利于消場(chǎng)曲。第七透鏡7為雙膠合透鏡組，可消色差，又因?yàn)榭拷鐾?，可消球差和彗差。偏振片陣?對(duì)光波進(jìn)行偏振調(diào)制，改變光線的偏振方向。子透鏡陣列9(如圖4所示)位置剛好位于出瞳面上，作用是對(duì)孔徑進(jìn)行分割。CCD探測(cè)器13為像面接收器，用來接收四個(gè)光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像并用于后續(xù)的圖像處理，其有效分辨率為1024X1024像元，像元尺寸為9umX9um,成像波段400um-1000um。如圖2所示偏振片陣列8中有4個(gè)偏振片，其偏振角度分別為0°、45°、90°和135。。當(dāng)成像環(huán)境較暗的情況下，如圖3所示，偏振片陣列8中有3個(gè)偏振片，其偏振角度分別為0° ,60°和120°，余下的一個(gè)孔徑進(jìn)行非偏成像，相比于偏振片陣列8中包括4個(gè)不同偏振角度的偏振片的情況，一個(gè)不安裝偏振片的孔徑中光線能量不損失，由此兼顧了成像照度的影響，從而彌補(bǔ)了光線通過偏振片所帶來的能量的損失。雖然系統(tǒng)中缺少了一個(gè)偏振光線，即只有三個(gè)偏振信息可供成像，但偏振角度分別為0°、60°和120°的偏振角度并不影響解得Stokes參量，具體理論依據(jù)如下斯托克斯表示法是目前最常用的偏 振度的表示方法，它既可以將關(guān)于偏振的所有信息很好的表達(dá)出來，也易于測(cè)量。斯托克斯指出，一束光的偏振狀態(tài)可以由四個(gè)參數(shù)I、Q、U、V完全描述。在這里，I表不光波的總強(qiáng)度；Q表不X方向與Y方向上的線偏振光的強(qiáng)度差；U表不+ ji/4方向與- π/4方向上的線偏振光的強(qiáng)度差，V表示右旋偏振分量與左旋圓偏振分量的差值。在自然界大氣背景及目標(biāo)物對(duì)太陽入射的偏振效應(yīng)中，圓偏振的分量極少，故通常假定V=0。因而，要完全確定一束光線的偏振狀態(tài)，還需要三個(gè)獨(dú)立數(shù)來確定I，Q，U這三個(gè)參量。在與X軸的夾角為a的方向上，觀測(cè)到的光強(qiáng)Itl為，I0 = 1/2(I+Q cos2a+U sin2a)因此，實(shí)際測(cè)量時(shí)，只需要測(cè)出三個(gè)不同角度的線偏振分量光強(qiáng)，即可解得Stokes參量I、Q、U。當(dāng)使用0° ,45° ,90° , 135°線偏振光時(shí)，I = I0+I90 = I4S+Ii35Q = I0-I90U = I45-I135當(dāng)使用0° ,60° ,120°線偏振光時(shí)，可以根據(jù)下面的公式得到I、Q、U，I = 2/3 (10+160+1120)Q = 4/3 (I0-1/2I60-1/2I120)U = 2/s/3(Im-IU0)本發(fā)明的采用上述光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分孔徑偏振成像的目的，且不發(fā)生像面重疊的現(xiàn)象，為了提高成像質(zhì)量，采用光學(xué)軟件對(duì)上述系統(tǒng)中各個(gè)器件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，則參數(shù)如表I所不，表中數(shù)據(jù)單位均為_，sl_sl9表不對(duì)應(yīng)圖I中的各個(gè)光學(xué)器件的表面,最終系統(tǒng)光路2維結(jié)構(gòu)如圖5所示。表I、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)
表面編號(hào) I表面類型I曲率半徑 [HI半孔徑高
Si (光闌) 球面26. 1963109.0200
s2球面-136.3237 15.2058 8. 5498
權(quán)利要求
1.一種分孔徑偏振成像系統(tǒng)，其特征在于，包括沿入射光線傳播方向依次同軸放置的攝遠(yuǎn)物鏡(I)、濾光片(2)、視場(chǎng)光闌(3)、場(chǎng)鏡(4)、準(zhǔn)直模塊、孔徑分割模塊、聚焦成像模塊和CXD探測(cè)器(13)，其中 所述孔徑分割模塊包括偏振片陣列(8)和子透鏡陣列(9)，所述偏振片陣列(8)放置在準(zhǔn)直模塊后方，偏振片陣列(8)中以2X2陣列分布的4個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)放置至少3個(gè)具有不同偏振角度的偏振片； 所述子透鏡陣列(9)放置在偏振片陣列(8)后方，其中的4個(gè)透鏡以2X2陣列布置，每個(gè)透鏡分別對(duì)準(zhǔn)一個(gè)所述的圓形區(qū)域； 所述聚焦成像模塊包括沿光軸方向依次排列的第十透鏡(10)、第i^一透鏡和第十二透鏡(12)，其中，第十透鏡(10)為負(fù)透鏡，用來消除系統(tǒng)中的場(chǎng)曲；第十一透鏡為正透鏡，第十二透鏡(12)為彎月透鏡，兩者組合成為一個(gè)正透鏡，用于消除系統(tǒng)的球差和彗差；同時(shí)，第十透鏡(10)、第十一透鏡和第十二透鏡(12)的組合最終將從子透鏡陣列(9)出射的光束分別成像在CXD探測(cè)器(13)的四個(gè)象限上，且保證4個(gè)圖像彼此分開。
2.如權(quán)利要求I所述的分孔徑偏振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振片陣列(8)中有4個(gè)偏振片，其偏振角度分別為0°、45°、90°和135°。
3.如權(quán)利要求I所述的分孔徑偏振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振片陣列(8)中有3個(gè)偏振片，其偏振角度分別為0° ,60°和120°。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的分孔徑偏振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述場(chǎng)鏡(4)為球面透鏡，其前表面曲率半徑為26. 1963mm,后表面曲率半徑為-136. 3237mm,前表面和后表面的距離為IOmm ； 所述準(zhǔn)直模塊包括第五透鏡(5 )、第六透鏡(6 )和第七透鏡(7 )，其中第五透鏡(5 )為球面透鏡，其前表面曲率半徑為-17. 5155mm，與場(chǎng)鏡(4)后表面距離為15. 2058mm ;后表面曲率半徑為30. 40390mm,前表面和后表面的距離為I. 8mm ； 第六透鏡(6)為球面透鏡，其前表面曲率半徑為-258. 4155mm，與第五透鏡(5)后表面距離為IOmm ;后表面曲率半徑為-32. 5799mm,前表面和后表面的距離為13. 9979mm ； 第七透鏡(7)為雙膠合透鏡，其前表面曲率半徑為140. 61127mm，與第六透鏡(6)后表面距離為IOmm ;其膠合面曲率半徑為-84. 7610mm,與第七透鏡(7)前表面的距離為IOmm;后表面曲率半徑為40. 0286mm,與膠合面的距離為IOmm ； 所述偏振片陣列(8)厚度為2mm，其前表面與第七透鏡(7)后表面距離為9. 7862mm ； 所述子透鏡陣列(9)的前表面與偏振片陣列(8)后表面距離為Imm; 所述聚焦成像模塊包括第十透鏡(10)、第十一透鏡和第十三透鏡，其中第十透鏡(10)的前表面為平面，與子透鏡陣列(9)后表面貼合；后表面曲率半徑為71. 6046mm,前表面和后表面的距離為I. 8mm ； 第十一透鏡的前表面曲率半徑為248. 2664mm,與第十透鏡(10)后表面距離為83. 9530mm ;后表面曲率半徑為-120. 6947mm,前表面和后表面的距離為IOmm ； 第十二透鏡(12 )為彎月透鏡，其前表面曲率半徑為33. 5885mm,距離第六透鏡(6 )后表面距離為O. 5mm ;后表面曲率半徑為43. 3481mm，前表面和后表面的距離為9. 8447mm ； CXD探測(cè)器(13)的像面距離第十二透鏡(12)的后表面距離為38. 3174mm。
5.如權(quán)利要求4所述的分孔徑偏振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述CCD探測(cè)器(13)的對(duì)角線長度為16. 59mm; 所述場(chǎng)鏡(4)前表面的半孔徑高為9. 0200mm，后表面的半孔徑高為8. 5498mm ； 所述第五透鏡(5)的前表面半孔徑高為6. 4169mm,后表面的半孔徑高為6. 7050mm;所述第六透鏡(6)前表面的半孔徑高為10. 7520mm，后表面的半孔徑高為12. 2530mm ；所述第七透鏡(7)前表面的半孔徑高為16. 7667mm，膠合面的半孔徑高為16. 4409mm,后表面的半孔徑高為16. 5120mm ； 所述偏振片陣列(8)的前表面半孔徑高為15.3605mm，后表面的半孔徑高為15.2224mm ； 所述子透鏡陣列(9)的半孔徑高為6. 1594mm ； 所述第十透鏡(10)的前表面半孔徑高為14. 9046mm，后表面的半孔徑高為14. 7349mm ； 所述第i^一透鏡的前表面半孔徑高為21. 1277mm，后表面的半孔徑高為21. 2072mm ； 所述第十二透鏡(12)的前表面半孔徑高為20. 1894mm，后表面的半孔徑高為17.8470mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分孔徑偏振成像系統(tǒng)，包括沿入射光線傳播方向依次同軸放置的攝遠(yuǎn)物鏡、濾光片、視場(chǎng)光闌、場(chǎng)鏡、準(zhǔn)直模塊、孔徑分割模塊、聚焦成像模塊和CCD探測(cè)器，通過一套光學(xué)成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分孔徑偏振成像，采用聚焦成像模塊校正場(chǎng)曲消除球差和彗差，從而提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，使像面不發(fā)生重疊的現(xiàn)象；當(dāng)成像環(huán)境較暗的情況下，可將偏振片陣列中放置三個(gè)偏振角度不同的線偏振片(0°，60°,120°)，余下的一個(gè)孔徑進(jìn)行非偏成像。在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，兼顧了成像照度的影響，從而彌補(bǔ)了光線通過偏振片所帶來的能量的損失。
文檔編號(hào)G02B27/00GK102944937SQ201210491089
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者王霞, 陳振躍, 馬斌, 金偉其 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)