CN105588643B - 热红外分孔径偏振成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热红外波段的分孔径偏振成像光学系统，它包括共孔径前置望远镜组，分孔径成像镜组，共孔径中继成像镜组和红外探测器；分孔径成像镜组包括四个偏振通道，依次放置偏振器件和一组子镜头组，它们的偏振方向各不相同，从而可以探测目标的偏振信息；分孔径成像镜组所成的像经过场镜调整后，被共孔径中继成像镜组二次成像在红外探测器焦平面上。由于分孔径具有相同的光学特性，实现了对不同偏振态信息的同时探测，并同时成像在同一个红外探测器的不同区域上。本发明提供的光学系统成像质量好，偏振测量精度高，不受外界扰动影响，可应用于快速移动平台或探测快速变化的目标，结构紧凑，无运动部件，具有100%的冷光阑效率。

Description

热红外分孔径偏振成像光学系统

技术领域

本发明涉及一种热红外分孔径偏振成像光学系统，适用于偏振分孔径多通道成像系统。

背景技术

偏振成像系统可探测目标物的反射或自身辐射的偏振信息，偏振信息可以提供关于目标物的材料表面属性、粗糙度、形状等多种重要的物理信息，在天文观测、医学诊断、遥感应用及军事识别等领域有着广阔的应用前景。

偏振态一般由Stokes矢量表示，为了获得完整的Stokes矢量信息，至少需要获取四幅关于目标的不同偏振态的图像。目前主要的偏振成像系统有分时探测系统和同时探测系统，分时探测系统通过引入旋转偏振片或波片等光学元件，位相可变调制器等元件，实现对不同偏振态的分时测量。然而分时探测系统测量过程中的时间延迟必然会引入由目标物变化或者平台快速移动所造成的误差。同时探测系统所采用多通道分光技术主要有利用棱镜或分束器的分振幅技术，在探测器焦平面处放置集成偏振元件的分焦平面技术，以及在孔径上放置多路子系统的分孔径成像技术。分振幅技术采用四个光学系统和四个红外探测器，不同光学系统和探测器之间的性能差异会引入测量误差，且分振幅系统体积较大；分焦平面技术是在探测器焦平面处布置微偏振器件，加工制作难度很大，且存在空间配准误差；分孔径系统由于只采用了一个探测器，四路分孔径系统同时将目标物的各偏振态信息成像在探测器的不同表面上，具有体积紧凑，性能可靠，无运动部件等优点。现有的热红外分孔径成像技术（参考文献J. Larry Pezzaniti and David B. Chenault. Proc. of SPIE58880. 2550.），冷光阑距离探测器焦平面较远，且中间置有多个中继镜头，不适用于目前的封装成型的红外制冷光电探测器。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种体积紧凑，成像质量高，便于数据处理，工作于热红外波段，出瞳与探测器冷光阑准确匹配的用于偏振成像仪的分孔径成像系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种热红外分孔径偏振成像光学系统，它包括共孔径前置望远镜组，分孔径成像镜组，共孔径中继成像镜组和红外探测器；所述的分孔径成像镜组包括四个并列排布的子通道，其中，三个子通道的结构相同，沿光路方向依次放置一个偏振片、一组通道物镜和一组通道场镜，三个子通道的偏振片起偏方向分别为0°、45°和90°；第四个子通道沿光路方向依次放置一等厚相同材料玻璃片、一组通道物镜和一组通道场镜；所述共孔径中继成像镜组包括共孔径中继场镜和共孔径中继成像镜；共孔径中继成像镜将目标二次成像于红外探测器的光敏面上。

本发明所述的共孔径前置望远镜组，其焦距与光学系统的总焦距之比为1.5:1～2.5:1。共孔径前置望远镜组可以为热红外伽利略望远镜或热红外开普勒望远镜。

本发明所述的分孔径成像镜组中的通道物镜的焦距与光学系统的总焦距之比为0.5:1～2:1。分孔径成像镜组中的通道物镜可以为摄远物镜，或双分离物镜。

本发明所述的共孔径中继成像镜组为三片式或双高斯型物镜。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、采用分孔径光学系统同时获取目标的各偏振态信息，并成像在同一个红外探测器上，结构紧凑，稳定性好。

2、四个分孔径光学系统具有相同的光学结构特性，不受外界环境等因素的干扰，测量精度高。

3、采用了二次成像的光学系统结构，将孔径光阑二次成像在冷光阑的位置，具有共冷光阑的优点，确保了100%的冷光阑效率，与探测器冷光阑精确匹配。

4、四个分孔径经一次像面后通过共同的后组共孔径镜头组成像在探测器上，避免了由分孔径偏心所引入的像面畸变，像质良好。

5、系统镜头均采用了常用的红外材料，具有较低的加工制造成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的热红外分孔径偏振成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的热红外分孔径偏振成像系统的调制传递函数曲线图；

图3为本发明实施例提供的热红外分孔径偏振成像系统的点列图；

图4为本发明实施例提供的热红外分孔径偏振成像系统的网格畸变图；

其中：1、共孔径前置望远镜组第一块透镜，2、共孔径前置望远镜组第二块透镜，3、共孔径前置望远镜组第三块透镜，4、共孔径前置望远镜组第四块透镜，5、偏振片，6、分孔径成像镜组第一块透镜，7、分孔径成像镜组第二块透镜，8、分孔径场镜，9、共孔径中继场镜，10、共孔径中继成像镜组第一块镜头，11、共孔径中继成像镜组第二块镜头，12、共孔径中继成像镜组第三块镜头，13、共孔径中继成像镜组第四块镜头，14、共孔径中继成像镜组第五块镜头，15、探测器冷光阑，16、红外探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的具体阐述。

实施例1

本实施例提供一种热红外分孔径偏振成像光学系统，它包括共孔径前置望远镜组，分孔径成像镜组，共孔径中继成像镜组和红外探测器。分孔径组包括四个偏振通道，每个偏振通道沿光路方向分别放置一个偏振元件、一组分孔径成像镜组。它的工作波段为热红外波段，镜头的焦距为68mm，F/#为2，全视场为3.2°×4°的面视场。

参见附图1，它是本实施例提供的光学镜头的结构示意图，共孔径前置望远镜组可采用热红外伽利略望远镜或热红外开普勒望远镜，在本实施例中的一个具体结构包括共孔径前置望远镜组的第一块透镜1、第二块透镜2、第三块透镜3和第四块透镜4，共孔径前置望远镜组的焦距与光学系统的总焦距之比为1.5:1～2.5:1。

分孔径成像镜组包括四个并列排布的子通道，其中，三个子通道的结构相同，沿光路方向依次放置一个偏振片5、一组通道物镜包括分孔径成像镜组第一块透镜6和第二块透镜7、一组通道场镜8，三个子通道的偏振片起偏方向分别为0°、45°和90°，第四个子通道沿光路方向依次放置一与偏振片5等厚相同材料玻璃片，弥补光程差以获得目标物的光强信息，以及一组通道物镜和一组通道场镜；分孔径成像镜组中的通道物镜的焦距与光学系统的总焦距之比为0.5:1～2:1。

入射光经过共孔径前置望远镜组后，光线宽度被压缩并限制视场，进入分孔径子系统，经放置有不同起偏方向的偏振片后，被分孔径成像镜组一次成像于共孔径中继场镜9处，被共孔径中继成像镜组经探测器冷光阑15，二次成像于红外探测器16上；共孔径中继成像镜组可以为三片式或双高斯型物镜，本实施例中具体包括第一块镜头10、第二块镜头11、第三块镜头12、第四块镜头13和第五块镜头14。红外探测器可采用凝视型红外焦平面阵列探测器。

本实施例提供的用于热红外偏振成像的分孔径光学系统各透镜具体数据及所采用的材料见表1。

表1

。

参见附图2，它是系统的调制传递函数（MTF）曲线，在奈奎斯特频率32lp/mm处，系统的MTF大于0.5，接近衍射极限。

参见附图3，它是光线追迹像平面上的点列图，图中的圆代表系统衍射艾里斑。各视场点列图能量均集中在艾利斑范围内，具有良好的成像质量。

参见附图4，它是系统网格畸变图，相对畸变小于1.13%，最大畸变量为20um，略大于1个像元。系统存在的畸变可通过图像处理进行校正。

Claims (7)

1.一种热红外分孔径偏振成像光学系统，其特征在于：它包括共孔径前置望远镜组，分孔径成像镜组，共孔径中继成像镜组和红外探测器；所述的分孔径成像镜组包括四个并列排布的子通道，其中，三个子通道的结构相同，沿光路方向依次放置一个偏振片、一组通道物镜和一组通道场镜，三个子通道的偏振片起偏方向分别为0°、45°和90°；第四个子通道沿光路方向依次放置一等厚相同材料玻璃片、一组通道物镜和一组通道场镜；所述共孔径中继成像镜组包括共孔径中继场镜和共孔径中继成像镜；共孔径中继成像镜将目标二次成像于红外探测器的光敏面上。

2.根据权利要求1所述的一种热红外分孔径偏振成像光学系统，其特征在于：所述的共孔径前置望远镜组，其焦距与光学系统的总焦距之比为1.5:1～2.5:1。

3.根据权利要求1或2所述的一种热红外分孔径偏振成像光学系统，其特征在于：所述的共孔径前置望远镜组为热红外伽利略望远镜或热红外开普勒望远镜。

4.根据权利要求1所述的一种热红外分孔径偏振成像光学系统，其特征在于：所述的分孔径成像镜组中的通道物镜的焦距与光学系统的总焦距之比为0.5:1～2:1。

5.根据权利要求1或4所述的一种热红外分孔径偏振成像光学系统，其特征在于：所述的分孔径成像镜组中的通道物镜为摄远物镜，或双分离物镜。

6.根据权利要求1所述的一种热红外分孔径偏振成像光学系统，其特征在于：所述的共孔径中继成像镜组为三片式或双高斯型物镜。

7.根据权利要求1所述的一种热红外分孔径偏振成像光学系统，其特征在于：所述的红外探测器为凝视型红外焦平面阵列探测器。