本發(fā)明涉及光學成像領域的一種成像系統(tǒng)，尤其涉及一種主動式偏振目標增強的共光路全景環(huán)帶光學成像裝置。

背景技術：

隨著光學探測技術的發(fā)展，大視場光學成像系統(tǒng)由于其具有對大范圍內物體進行探測的能力，已被廣泛用于空間探測、軍事偵察、安防監(jiān)控、管道內窺等領域。許多應用場合對大視場光學探測系統(tǒng)的輕量化和高效能提出了要求，如車輛、飛行器需要對周圍靠近的目標實現(xiàn)快速預警，交通監(jiān)控中需要實現(xiàn)對大范圍內車輛目標的高效檢出等。

利用全景光學成像系統(tǒng)進行探測能在較大視場范圍內發(fā)現(xiàn)目標。傳統(tǒng)的單視場全景掃描成像技術是利用由單個成像鏡頭組成的系統(tǒng)旋轉一周獲得一系列圖像，或沿360°各個方向放置一組單鏡頭進行同時分別拍攝后進行圖像拼接完成，相機拍攝條件要求嚴格，圖像處理耗時較長，實時性欠佳，同時其體積較大，結構復雜?；谄矫鎴A柱投影原理的全景環(huán)帶成像技術是一種與傳統(tǒng)中心投影原理不同的成像技術，可在無需轉動的條件下，將周圍物體一次性地成像在單個圖像傳感器上，從光學原理上實現(xiàn)了360°全景凝視成像。全景環(huán)帶光學成像系統(tǒng)是一種折反式的大視場成像系統(tǒng)，體積小，重量輕，制作工藝與普通全折射光學系統(tǒng)類似，設計方式靈活，可以有效地對四周的大視場范圍內的物體成像，實現(xiàn)目標探測。

一般成像系統(tǒng)獲得的圖像容易受到外界環(huán)境因素的影響，對于隱藏在自然背景中的人造目標，圖像中目標與背景的對比度低使得目標不易被發(fā)現(xiàn)，這對于大視場范圍內的目標探測十分不利。為此，人們提出拓展成像過程中獲得的信息維度來實現(xiàn)目標增強，提高目標的檢出率，如光譜信息、深度信息、偏振信息等。其中，基于偏振信息的目標增強成像方式可以區(qū)分目標與背景的偏振特征差異，在獲取強度和偏振信息的同時，有效增強圖像細節(jié)，提高復雜背景下的探測效率。尤其對于人造物體如車輛、飛行器而言，這些目標表面較為光滑，在被偏振光照明時，其反射光可以較為有效地保持偏振度，而自然背景由于散射較為嚴重，入射偏振光經過散射后，其反射光往往具有較低的偏振度。因此，可以利用物體對入射偏振光的響應能力差異來實現(xiàn)目標物體的有效增強。然而，現(xiàn)有的偏振目標增強光學成像系統(tǒng)視場角較為有限，無法對大視場范圍內的目標實現(xiàn)有效、快速的光學探測和增強。另外，成像過程和偏振信息獲取往往在被動照明條件下完成，無法適應弱光照環(huán)境，也使獲得的偏振信息噪聲較大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種主動式偏振目標增強的共光路全景環(huán)帶光學成像裝置，實現(xiàn)大視場范圍內的實時偏振目標增強成像。該裝置以全景環(huán)帶系統(tǒng)作為照明和成像的基本形式，有效視場大，體量輕巧。同時，利用偏振元件組合成的偏振分光組件提供成像物體的偏振信息，并實現(xiàn)緊湊高效的共光路設計。該裝置采取主動式偏振光照明，可有效增強偏振信息的強度，提高裝置對弱光照環(huán)境的適應性。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：一種主動式偏振目標增強的共光路全景環(huán)帶光學成像裝置，包括全景環(huán)帶偏振照明系統(tǒng)與全景環(huán)帶偏振成像系統(tǒng)；采用大視場全景環(huán)帶光學系統(tǒng)作為照明與成像的基本形式；照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)共光路，照明光源與成像相機分置于分光組件兩側；以偏振器件組合作為照明光與成像光的分光組件。

進一步地，所述的全景環(huán)帶光學系統(tǒng)的基本形式，由全景環(huán)帶透鏡、后續(xù)鏡組、偏振分光組件及靶面依次排布組成；對于照明系統(tǒng)光路而言，靶面為光源面；對于成像系統(tǒng)光路而言，靶面為成像相機。

進一步地，所述的偏振分光組件由偏振轉換器、偏振分束器和λ/4波片組成；對于照明系統(tǒng)，所述的偏振分光組件將光源發(fā)出的自然光變成振動方向與入射面平行的線偏振光，經λ/4波片后成為圓偏振的照明光；對于成像系統(tǒng)，所述的偏振分光組件的λ/4波片將物體反射回的圓偏振光分量變?yōu)檎駝臃较蚺c入射面垂直的線偏振光，經偏振分束器反射后到達像面，物體由于退偏產生的非偏振光分量則無法完全到達像面；所述的偏振分光組件可以將具有高保偏性的目標物體的反射光能量較為完整地轉移到像面，而僅將低保偏性的背景物體的部分反射光能量轉移到像面，從而根據(jù)偏振信息實現(xiàn)目標的增強成像。

進一步地，所述全景環(huán)帶透鏡的前表面包括前透射面和位于前透射面中心的前反射面；后表面包括后反射面和位于后反射面中心的后透射面。

進一步地，所述全景環(huán)帶透鏡采用雙膠合結構。

本發(fā)明有益效果是：

1.本發(fā)明實現(xiàn)了大視場范圍高對比度的關鍵目標探測。利用目標物體和背景物體保偏性能的差異，可增強關鍵目標物體與背景環(huán)境的對比度，有利于目標探測與追蹤。結合超廣角全景環(huán)帶光學系統(tǒng)，可以在單相機的條件下實現(xiàn)大視場范圍內的目標探測。

2.本發(fā)明集成了照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)，采用主動成像方式，可在弱光環(huán)境中探測目標，如管道內部、狹窄空間、水下環(huán)境等。同時，相對于被動成像方式，本發(fā)明采用的主動成像方式可以提供更真實有效的物體保偏性能信息，信噪比更高。

3.本發(fā)明采用共光路設計，提高了系統(tǒng)對振動等環(huán)境因素的穩(wěn)健性，系統(tǒng)裝置結構緊湊，體量輕巧，可適用于較為惡劣的工作環(huán)境。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置結構示意圖。

圖2是本發(fā)明裝置的光路圖及偏振態(tài)改變示意圖。

圖3是本發(fā)明優(yōu)化后的系統(tǒng)結構圖。

圖4是本發(fā)明優(yōu)化后的MTF圖。

圖5是本發(fā)明優(yōu)化后的場曲曲線圖。

圖6是本發(fā)明優(yōu)化后的畸變曲線圖。

圖中：全景環(huán)帶透鏡1、后續(xù)鏡組2、偏振分光組件3、照明光源4、成像相機5、前透射面6、后反射面7、前反射面8、后透射面9、λ/4波片10、偏振分束器11、偏振轉換器12。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種主動式偏振目標增強的共光路全景環(huán)帶光學成像裝置，包括全景環(huán)帶偏振照明系統(tǒng)與全景環(huán)帶偏振成像系統(tǒng)；照明系統(tǒng)包括同軸安裝的全景環(huán)帶透鏡1、置于全景環(huán)帶透鏡1后方的后繼鏡組2、偏振分光組件3和照明光源4；成像系統(tǒng)包括與照明系統(tǒng)共用的全景環(huán)帶透鏡1、置于全景環(huán)帶透鏡1后方的后繼透鏡組2、偏振分光組件3及與照明系統(tǒng)光軸垂直的成像相機5。

如圖2所示，照明光源4發(fā)出的為自然光，經偏振轉換器12后成為p光，p光經過偏振分束器11時，會沿水平光軸方向直接透過；通過偏振分束器11的p光通過λ/4波片10后相位改變π/2成為右旋圓偏振光，該右旋圓偏振光通過后繼鏡組2后再經全景環(huán)帶透鏡1投射至物空間，實現(xiàn)大視場照明。物空間的物體分為背景物體與目標物體兩種，一般認為，背景物體的保偏性能較低，目標物體保偏性能較高。當右旋圓偏振光經目標物體表面反射后，可以良好地保持偏振態(tài)，反射回的光為左旋圓偏振光，可通過全景環(huán)帶光學系統(tǒng)進入偏振分光組件3。反射的圓偏振光逆向通過λ/4波片10后相位再次改變π/2，偏振方向相比于初始偏振方向旋轉90°，成為s光，s光經過偏振分束器11時，會沿豎直方向反射進入成像相機5成像；背景物體的反射光偏振度較低，經過λ/4波片10之后s分量較弱，經過偏振分束器11反射到達像面的光能較少。因此，從圖像的角度而言，目標物體相比于背景物體具有更高的亮度，圖像對比度更好，易于區(qū)分。

在本發(fā)明中，所涉及的光學元件表面需要鍍增透膜，以提高光能利用率，避免形成鬼像和眩光。

在本發(fā)明中，λ/4波片10的晶軸與偏振轉換器12透振方向成45°角，使p光兩次通過λ/4波片10后振動方向旋轉90°，成為s光。

在本發(fā)明中，全景環(huán)帶光學系統(tǒng)的成像方式是：同一物點發(fā)出的光線從后反射面7折射進入實體，然后被后反射面7與前反射面8兩次反射，最后從后透射面9折射出實體。光線通過全景環(huán)帶透鏡1后在其內部或后方形成虛像，該虛像通過后繼鏡組2折射，成像于成像相機5。

在本發(fā)明中，上述全景環(huán)帶光學系統(tǒng)的全景環(huán)帶透鏡1采用雙膠合結構，這既增加了系統(tǒng)消色差的能力，同時也減少了后繼透鏡組的像差校正壓力。

在本發(fā)明中，成像系統(tǒng)使用大畫幅的面陣CMOS相機或CCD相機，可得到大視場較高分辨率的環(huán)形像面。

對所述的照明系統(tǒng)而言，光源可根據(jù)照明需求選用對應光譜特性和發(fā)光強度的光源。為了防止光源的不均勻性影響照明的照度分布，應當在光源之后使用復眼透鏡等勻光元件，采用柯拉照明形式。偏振轉換器由偏振分束器(PBS)陣列組成，各PBS單元通過合理鍍膜，可透射偏振態(tài)與入射面平行的光波分量(p光)，并通過在各PBS單元間發(fā)生的多次反射將偏振態(tài)與入射面垂直的光波分量(s光)轉換成p光。由此，光源發(fā)出的光經由偏振轉換器，能夠以最大的光能利用率轉換成為p光，作為有效的照明光。

對所述的照明系統(tǒng)而言，經由偏振分光組件產生的圓偏振照明光通過全景環(huán)帶光學系統(tǒng)輸出到物空間，照明的物空間范圍與全景環(huán)帶光學系統(tǒng)的視場角一致。全景環(huán)帶光學系統(tǒng)包含全景環(huán)帶透鏡和后繼鏡組。其中，全景環(huán)帶透鏡由前透射面，后反射面，前反射面和后透射面組成，能將光軸360°范圍的圓柱視場投影到一個二維環(huán)形區(qū)域中。全景環(huán)帶透鏡采用雙膠合結構，增加系統(tǒng)消色差的能力，同時也減少后繼透鏡組的像差校正壓力。后繼鏡組為一片或多片凸透鏡或凹透鏡，用于成像和校正各類像差。

對所述的成像系統(tǒng)而言，被照明系統(tǒng)照明的物體反射回來的光作為成像光通過上述全景環(huán)帶光學系統(tǒng)進入偏振分光組件。成像光經過λ/4波片后，相位再次改變π/2，此時光的相位相對于照明光進入λ/4波片之前的相位改變了π。理想情況下，考慮物體反射光嚴格保持入射照明光偏振態(tài)，經過λ/4波片的成像光相位相對于照明光進入λ/4波片之前的相位改變了π。由于進入λ/4波片前的照明光為p偏振，則經過了所述的π相位變化后，成像光為s偏振，被偏振分束器反射，成像在相機圖像傳感器上。實際情況中，由于散射產生的退偏等因素，物體無法完全保持入射光的偏振態(tài)。物體由于退偏產生的非偏振光同時包含p分量和s分量，在經過偏振分束器的時候只有s分量能到達像面。因此，當物體退偏程度較高時，成像光的能量衰減得較多。因此，所述的偏振分光組件可以將具有高保偏性的目標物體的反射光能量較為完整地轉移到像面，而僅將部分低保偏性的背景物體的反射光能量轉移到像面，進而實現(xiàn)高保偏性目標物體相對于低保偏性背景物體的對比度增強成像。

本發(fā)明的實施例及過程如下：

根據(jù)本發(fā)明裝置的結構構建光路，其中全景環(huán)帶透鏡和后繼鏡組的各表面均采用球面，減少加工難度。

全景環(huán)帶透鏡1采用折射率較高的火石材料作為第一片鏡片來減小口徑。后繼鏡組2采用多個鏡片的組合及雙膠合透鏡來校正像差并成像。

現(xiàn)設計一套有效視場為30°～89°，光圈數(shù)F＝3的共光路全景環(huán)帶光學成像裝置，工作波段為可見光區(qū)，參考波長為C,d,F光。在利用光學設計軟件進行優(yōu)化設計時，通過多重結構完成照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)的優(yōu)化設計。優(yōu)化后的系統(tǒng)具體結構及光路圖如圖3，從不同視場進入的平行光線分別在像面上成點像。

考慮上述設計的成像系統(tǒng)，采用像元大小為5um的CCD相機，故Nyquist頻率為＝100lp/mm，由圖4可見，該系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)MTF在Nyquist頻率處接近0.5。

考慮上述設計的成像系統(tǒng)，由圖6可見，在視場范圍內，按f-θ成像模式考慮，畸變小于1％。

上述具體實施方式用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。