一種利用陣列透鏡實現(xiàn)偏振探測的成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國探月工程的順利進(jìn)展和深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，對太陽系內(nèi)其他行星的深空探測計劃也已提上了我國深空探測十二五、十三五規(guī)劃的日程中，包括對火星、金星和其他小行星的探測，其中對金星大氣的探測是深空探測活動的重要目標(biāo)和內(nèi)容之一。
[0003]金星探測工程將實現(xiàn)對金星大氣層整體性的探測和局部區(qū)域的探測，以及金星表面地形地貌與次表層物質(zhì)結(jié)構(gòu)的全球性探測，由于金星具有極高的大氣壓、較厚的二氧化硫云層、很高的表面溫度等環(huán)境特點(diǎn)，大大限制了光學(xué)探測手段的應(yīng)用。因此，需采用偏振成像測量方法進(jìn)行金星大氣探測。
[0004]目前國內(nèi)外實現(xiàn)偏振探測的方法主要有兩種:第一種是通過裝有偏振片和濾光片的轉(zhuǎn)輪來實現(xiàn)不同光譜不同偏振態(tài)的探測，該方法可以實現(xiàn)較大視場，結(jié)構(gòu)較簡單，但是會造成載荷整體質(zhì)量過重，而且轉(zhuǎn)動裝置對系統(tǒng)穩(wěn)定性有影響，不能保證探測精度。第二種是采用沃拉斯頓棱鏡進(jìn)行不同偏振態(tài)的分光，這種方式光學(xué)系統(tǒng)的能量損失小，但由于沃拉斯頓棱鏡的入射角限制較為嚴(yán)格，導(dǎo)致觀測視場較??；若要進(jìn)行大視場觀測，需要額外增加二維指向機(jī)構(gòu)，這樣勢必會增加載荷的體積、重量，因而在大視場觀測方面的實用性不大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用陣列透鏡實現(xiàn)偏振探測的成像系統(tǒng)，可以在不增加載荷體積重量的前提下，實現(xiàn)大視場、高精度的偏振探測。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種利用陣列透鏡實現(xiàn)偏振探測的成像系統(tǒng)，包括沿光線入射方向依次放置的光線匯集光學(xué)系統(tǒng)、第一陣列透鏡、陣列偏振片和接收像面，其中第一陣列透鏡為由四片相同正透鏡構(gòu)成的2X2陣列，第一陣列透鏡位于光闌位置，陣列偏振片為由四片不同偏振態(tài)的偏振片構(gòu)成的2X2陣列；來自于目標(biāo)的入射光線首先經(jīng)過光線匯集光學(xué)系統(tǒng)匯集于光闌處，第一陣列透鏡將交匯于光闌處的全視場光束分為四束，陣列偏振片對四束光進(jìn)行不同偏振態(tài)的處理，形成0°、45°、90°和135°四個偏振方向的線偏振光后在接收像面上成像，形成四幅具有不同偏振態(tài)的同一目標(biāo)的圖像。所述的陣列偏振片的基片材料為恪融石英。
[0007]所述的成像系統(tǒng)還包括第二陣列透鏡，第二陣列透鏡為由四片相同正透鏡構(gòu)成的2X2陣列，第二陣列透鏡位于第一陣列透鏡和陣列偏振片之間，將第一陣列透鏡出射的四束光之間的距離拉開使得四束光互不干涉。
[0008]所述的第一陣列透鏡包括的四片正透鏡的曲率半徑與第二陣列透鏡包括的四片正透鏡的曲率半徑不相同。
[0009]所述的第一陣列透鏡和第二陣列透鏡之間還放置有第六透鏡和第七透鏡，第六透鏡為負(fù)透鏡并位于靠近第一陣列透鏡一側(cè)，第七透鏡為正透鏡并位于第六透鏡和第二陣列透鏡之間。第六透鏡和第七透鏡的面形均為球面，材料為無色光學(xué)玻璃。
[0010]第二陣列透鏡和陣列偏振片之間還放置有第八透鏡和第九透鏡，第八透鏡為負(fù)透鏡并位于靠近第二陣列透鏡一側(cè)，第九透鏡為正透鏡并位于第八透鏡和陣列偏振片之間。第八透鏡和第九透鏡的面形均為球面，材料為無色光學(xué)玻璃。
[0011]所述的光線匯集光學(xué)系統(tǒng)包括沿光線入射方向從左至右依次放置的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡和第五透鏡，其中第一透鏡、第四透鏡、第五透鏡均為正透鏡，第二透鏡、第三透鏡均為負(fù)透鏡。所述的正透鏡和負(fù)透鏡的面形均為球面，材料為無色光學(xué)玻璃。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0013](I)本發(fā)明首先利用光線匯集系統(tǒng)將入射光線匯集于光闌位置，并在光闌位置處放置2X2陣列透鏡將交匯于光闌處的全視場光線分為四束。當(dāng)入射視場較大時，僅放置一個2X2陣列透鏡并不能將四束光完全分開，因而可以在其后添加第二片2X2陣列透鏡將四束光拉開較大距離并互不干涉，然后再利用一片2X2陣列偏振片四束光進(jìn)行不同偏振態(tài)的處理，形成0°、45°、90°和135°四個偏振方向的線偏振光后在接收像面上成像，形成四幅具有不同偏振態(tài)的同一目標(biāo)的圖像。所用透鏡面形均為球面，材料均使用了無色光學(xué)玻璃，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工及檢測；
[0014](2)同偏振片轉(zhuǎn)輪技術(shù)相比，本發(fā)明無轉(zhuǎn)輪等活動部件，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高；
[0015](3)同沃拉斯頓棱鏡偏振探測技術(shù)相比，本發(fā)明不存在入射角受限的沃拉斯頓棱鏡，可根據(jù)需要選用不同的光學(xué)結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)不同的觀測視場，小視場觀測時僅在光闌位置放置一片陣列透鏡再經(jīng)陣列偏振片即可實現(xiàn)偏振探測，大視場觀測時考慮到經(jīng)光闌位置陣列透鏡分開的四束光有可能存在干涉，可在光闌位置陣列透鏡與陣列偏振片之間再增加一片陣列透鏡將四束光距離拉開、互不干涉，無需添加二維指向機(jī)構(gòu)，方法簡單，實用性高。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明成像系統(tǒng)的組成原理框圖；
[0017]圖2為本發(fā)明成像系統(tǒng)中光闌位置分束前的光線足印圖；
[0018]圖3為本發(fā)明成像系統(tǒng)中經(jīng)兩個陣列透鏡分束后的四束光線足印圖；
[0019]圖4為本發(fā)明成像系統(tǒng)使用的陣列偏振片示意圖及坐標(biāo)系；
[0020]圖5為本發(fā)明成像系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)圖。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明的主要思想是在光闌位置放置2X2陣列透鏡，將全視場匯集在光闌位置的光束分為四束，然后利用2X2陣列透鏡將四束光距離拉大、互不干涉(入射視場較小的情況下可以不需要)，再經(jīng)過一片2X2陣列偏振片形成0°、45°、90°和135°四個偏振方向的線偏振光，最后成像于接收像面實現(xiàn)同一目標(biāo)的偏振探測。
[0022]如圖1所示，為本發(fā)明成像系統(tǒng)的光路圖，由9片透鏡、2片2X2陣列透鏡及I片2X2陣列偏振片(如圖4所示)構(gòu)成。
[0023]本發(fā)明的一個實施方案為:入瞳口徑5.2mm，焦距13mm，視場25° X22.5°。
[0024]入射光線沿光軸方向依次經(jīng)過第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5、第一陣列透鏡6、第六透鏡7、第七透鏡8、第二陣列透鏡9、第八透鏡10、第九透鏡11及陣列偏振片12后成像于接收像面13。其中，第一透鏡1、第四透鏡4、第五透鏡5、第七透鏡8及第九透鏡11為正透鏡，第二透鏡2、第三透鏡3、第六透鏡7及第八透鏡10為負(fù)透鏡。正透鏡和負(fù)透鏡的材料均為普通無色光學(xué)玻璃，系統(tǒng)利用正透鏡、負(fù)透鏡及不同光學(xué)材料相結(jié)合的方式進(jìn)行像差校正，所用透鏡均為球面透鏡。
[0025]由第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5共5片透鏡組成了光線匯集系統(tǒng)，用于將入射光線匯集于整個系統(tǒng)的光闌位置。光線匯集系統(tǒng)的透鏡數(shù)量及組合形式主要由入射視場決定，當(dāng)入射視場很小時，可將透鏡減少至I?2片；當(dāng)入射視場較大時，可增加透鏡個數(shù)或使用非球面用于校正整個系統(tǒng)的像差，實現(xiàn)良好像質(zhì)。
[0026]初始設(shè)計時，將第一陣列透鏡6放置于光闌位置，用于將經(jīng)光線匯集系統(tǒng)匯集在光闌處的全視場入射光束分為四束。由于光闌處包含目標(biāo)所有特性，因而分開后的每束光均含有同一目標(biāo)特性。若直接在第一陣列透鏡6之后放置陣列偏振片12再成像于接收像面，因像差較大導(dǎo)致像質(zhì)不好。進(jìn)而在第一陣列透鏡6之