分孔徑紅外偏振成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 琪，梁靜秋，梁中翥*，呂金光，王維彪*，秦余欣，王洪亮，2

(1. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033;2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

紅外偏振成像技術(shù)可在傳統(tǒng)的紅外強(qiáng)度成像基礎(chǔ)上探測(cè)目標(biāo)的偏振信息，從而準(zhǔn)確地區(qū)分出輻射能量相同而偏振態(tài)不同的兩個(gè)物體，增強(qiáng)目標(biāo)與背景的對(duì)比度。還可根據(jù)地物與人造目標(biāo)偏振度的不同，進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和地物識(shí)別[1-2]。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事反偽裝遮蔽、空間遙感以及光學(xué)監(jiān)測(cè)等許多方面。

國際上早在20世紀(jì)60年代就開始了對(duì)偏振探測(cè)技術(shù)的研究。1972年，J.D.Halajian和H.B.Hallock在專利中首次提出了偏振成像技術(shù)[3]。1981年，Walraven最早報(bào)道了可見光波段的偏振成像儀。由于紅外偏振成像技術(shù)對(duì)識(shí)別地物，分辨紅外偽裝防護(hù)，探測(cè)小溫差目標(biāo)均有重要意義，國際上開始了紅外偏振成像儀的研究。1974年，美國Johnsonian將偏光棱鏡放置在熱紅外相機(jī)之前改善其工作特性[4]。20世紀(jì)90年代，研究者將日本岡山天文臺(tái)的近紅外相機(jī)與偏振器件組合，依次旋轉(zhuǎn)偏振片獲得線偏振分量，實(shí)現(xiàn)了近紅外偏振成像探測(cè)[5]。我國在紅外偏振成像方面起步稍晚，2009年，國防科技大學(xué)利用3個(gè)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了紅外偏振實(shí)時(shí)探測(cè)，對(duì)人工遮蔽進(jìn)行了紅外偏振成像實(shí)驗(yàn)[6]。2012年，昆明物理研究所分別探測(cè)目標(biāo)的中波與長波紅外偏振信息，通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn)，中波紅外測(cè)得的偏振信息更為準(zhǔn)確，誤偏振信息較少[7]。

按照偏振圖像時(shí)間特性的不同，紅外偏振成像儀可被分為實(shí)時(shí)型和非實(shí)時(shí)型兩種類型。非實(shí)時(shí)偏振成像技術(shù)是在連續(xù)的時(shí)間內(nèi)依次得到目標(biāo)的多幅偏振圖像；而實(shí)時(shí)偏振成像技術(shù)則是在單次曝光中得到目標(biāo)多幅不同偏振狀態(tài)的圖像[8]，具有實(shí)時(shí)性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn)。本文提出了一種實(shí)時(shí)分孔徑紅外偏振成像系統(tǒng)，并對(duì)具有偏心量的分孔徑成像系統(tǒng)和與紅外探測(cè)器匹配的中繼成像系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。整合兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，給出設(shè)計(jì)結(jié)果并分析成像質(zhì)量。

2 基本原理

2.1 偏振態(tài)的描述

Jones矢量法和Stokes矢量法是常用的定量表示偏振度的方法[9]。自然界中，非偏振光經(jīng)過物體發(fā)生輻射和反射后，出射光大多數(shù)為部分偏振光，而Jones矢量法只能描述完全偏振光，故在偏振成像探測(cè)中，選用Stokes矢量法，既能描述完全偏振光，又能描述部分偏振光及非偏振光[10]。

Stokes矢量法利用I、Q、U、V4個(gè)強(qiáng)度參量來描述光的偏振態(tài)[11]：

S=[IQUV] .

(1)

線偏振成像是只得到目標(biāo)的I、Q、U3個(gè)分量，而圓偏振成像則是在此基礎(chǔ)上得到圓偏振光分量。在自然界中，圓偏振信息基本為0，因此對(duì)于非人造物，探測(cè)前3個(gè)Stokes矢量足以表達(dá)目標(biāo)的偏振特性[12]。

通過光學(xué)器件的出射光束Stokes矢量與入射光束Stokes矢量成線性函數(shù)關(guān)系：

(2)

式中，M矩陣是4×4的Muller矩陣，它表征了光學(xué)元件對(duì)入射光的偏振影響，包括衰減、延遲等[13]，將通過偏振元件前后的光束聯(lián)系起來。將探測(cè)器上測(cè)得的Stokes矢量與偏振元件的Mueller矩陣做逆運(yùn)算，即得到入射光Stokes矢量，可解調(diào)出目標(biāo)物體的偏振態(tài)。

2.2 紅外偏振成像儀工作原理

本文設(shè)計(jì)的分孔徑紅外偏振成像系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，主要包括分孔徑成像系統(tǒng)和中繼成像系統(tǒng)，其中，分孔徑系統(tǒng)由偏振元件和透鏡陣列組成。該系統(tǒng)是二次成像系統(tǒng)，某時(shí)刻目標(biāo)反射的光進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過偏振通道和分孔徑成像系統(tǒng)分成4個(gè)通道，利用中繼成像系統(tǒng)將4束光成像到探測(cè)器焦平面上。其中，各子系統(tǒng)分別放置方向不同的偏振器件和相同的透鏡陣列，利用透鏡陣列組將光束離軸分成4個(gè)通道，縮小除偏振度外每個(gè)通道之間的成像差異。它作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分實(shí)現(xiàn)了偏振成像儀的輕小化，但設(shè)計(jì)仍存在難點(diǎn)，如離軸透鏡陣列的分布及后置成像物鏡與探測(cè)器的配準(zhǔn)等問題需要在設(shè)計(jì)中著重解決。

圖1 分孔徑紅外偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure schematic of decentered aperture-divided optical system for infrared polarization imager

而4個(gè)子系統(tǒng)的偏振通道選擇相同材料的線偏振片，單個(gè)系統(tǒng)的偏振通道如圖2所示，設(shè)偏振片透光軸與x軸方向的夾角為θ，則焦平面上測(cè)得的光強(qiáng)I0為:

(3)

圖2 單個(gè)偏振通道 Fig.2 Single polarization channel

選擇4個(gè)偏振通道的線偏振片方向分別為0°、90°、45°和135°，對(duì)應(yīng)的4幅線偏振圖像光強(qiáng)分別為I0、I90、I45、I135，則出射光Stokes矢量I、U、V可表示為:

(4)

偏振片的Muller矩陣可表示為：

(5)

代入式(2)就能夠計(jì)算出入射光的Stokes矢量。

3 設(shè)計(jì)思路

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

系統(tǒng)選用的碲鎘汞中波紅外面陣探測(cè)器參數(shù)如下：320 pixel×256 pixel，像元尺寸為30 μm×30 μm。提出光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)：工作波長為3.7～4.8 μm，焦距f為200 mm，F(xiàn)數(shù)為4，半視場(chǎng)角為2°。與可見光成像不同的是，所選用的中波紅外制冷型面陣探測(cè)器中含有抑制雜散光的冷光闌，為了保證冷光闌匹配效率，光學(xué)系統(tǒng)需要采用二次成像系統(tǒng)，其中通過偏心分孔徑成像系統(tǒng)獲得4幅偏振圖像，中繼成像系統(tǒng)將4幅偏振圖像成像到制冷型探測(cè)器上。

3.2 分孔徑成像系統(tǒng)分析

分孔徑成像系統(tǒng)的作用是將光路分割成4個(gè)通道，將同一物體成4幅圖像。偏振元件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響可看作平行玻璃板，因此在光學(xué)設(shè)計(jì)中暫未加入偏振元件。

圖3 光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.3 Telecentric structure of optical system

光學(xué)系統(tǒng)的焦距：

(6)

理想物像成像公式：

(7)

(8)

分孔徑成像系統(tǒng)偏心量δ與成像偏移量δy：

(9)

當(dāng)物體位于無窮遠(yuǎn)，即l1=∞時(shí)，

(10)

在中紅外波段，光學(xué)材料隨溫度變化明顯，直接影響鏡片的折射率，進(jìn)而降低成像質(zhì)量，所以通常選擇在-20～60 ℃成像良好的光學(xué)材料。國內(nèi)使用較多的紅外光學(xué)材料是硅、鍺等，因此分孔徑成像系統(tǒng)采用硅鍺硅三片式透射結(jié)構(gòu)，在中波紅外能很好地消除色差[15]。如圖4所示，參數(shù)如表1，本文的設(shè)計(jì)將系統(tǒng)的入瞳放在透鏡之前，實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)。

圖4 分孔徑成像系統(tǒng)單通道結(jié)構(gòu)圖 Fig.4 Single channel structure of aperture-divided imaging system

序號(hào)半徑/mm厚度/mm玻璃1231.603.2984SILICON21066.5354.343102.029.87GERMANIUM471.5578.425389.068.02SILICON

表2列出了分孔徑成像系統(tǒng)各類初級(jí)像差，計(jì)算出結(jié)構(gòu)初級(jí)像差均小于0.01，說明分孔徑成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可行。表2中，SA是球差，TCO是子午彗差，TAS是弧矢彗差，SAS是像散，DST是畸變。

表2分孔徑成像系統(tǒng)初級(jí)像差

3.3 中繼成像系統(tǒng)分析

中繼成像系統(tǒng)對(duì)一次像面上的物體成像，參照子孔徑透鏡半徑及偏心量作視場(chǎng)角。為在探測(cè)器上完整觀察到4幅偏振圖像，要求每幅圖片尺寸不超過探測(cè)器像面尺寸的1/4[16]。為使探測(cè)器每個(gè)像元上得到單個(gè)像點(diǎn)，要求RMS半徑在30 μm以內(nèi)。

由于選用的探測(cè)器為中波紅外制冷型面陣探測(cè)器，中繼成像系統(tǒng)出瞳應(yīng)與探測(cè)器冷光闌匹配。為消除雜散光，將冷光闌作為系統(tǒng)的孔徑光闌，控制入射到探測(cè)器的光束孔徑角[17]。設(shè)冷屏光闌孔徑是D′，其與探測(cè)器的距離是s，中繼成像系統(tǒng)的物方孔徑角是u，出射光邊緣孔徑角u′，則:

(11)

(12)

圖5 中繼成像系統(tǒng)物方遠(yuǎn)心光路 Fig.5 Telecentric optical path of relay imaging system

中繼成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，參數(shù)見表3。參照分孔徑成像系統(tǒng)材料的選取，將硅，鍺相結(jié)合，使用7片透鏡結(jié)構(gòu)，冷光闌位于中繼成像系統(tǒng)的孔徑光闌處，消除雜散光。

表3 中繼成像系統(tǒng)參數(shù)

4 匹配與像質(zhì)評(píng)價(jià)

通過以上分析，分別設(shè)計(jì)出了紅外偏振成像儀的分孔徑成像系統(tǒng)和與紅外制冷探測(cè)器完全匹配的中繼成像系統(tǒng)。利用光學(xué)軟件分析功能，由圖6不難看出，兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF都接近衍射極限，成像清晰。為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的匹配，在設(shè)計(jì)時(shí)，將分孔徑成像系統(tǒng)像方數(shù)值孔徑與中繼成像系統(tǒng)物方數(shù)值孔徑相匹配，同時(shí)，考慮到與紅外制冷探測(cè)器的連接，系統(tǒng)都采用的遠(yuǎn)心系統(tǒng)，利用光學(xué)軟件分析發(fā)現(xiàn)，分孔徑成像系統(tǒng)的出射光瞳(位于-0.245×108mm處)和中繼成像系統(tǒng)的入射光瞳(位于0.1×1011mm處)都近似位于無窮遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)瞳對(duì)瞳匹配。完整的光學(xué)系統(tǒng)如圖7所示，4個(gè)子通道具有相同的透鏡結(jié)構(gòu)，偏離后置光軸的程度相同，對(duì)稱排列在后置光軸周圍。

圖6 (a)分孔徑成像系統(tǒng)MTF；(b)中繼成像系統(tǒng)MTF Fig.6 (a)MTF of aperture-divided imaing system； (b)MTF of relay imaging system

圖7 整體光學(xué)系統(tǒng) Fig.7 Integrated optical system

圖8(a)是光學(xué)系統(tǒng)的像點(diǎn)圖，最大均方根(RMS)直徑為2.764 μm，像元尺寸為30 μm×30 μm，說明視場(chǎng)范圍內(nèi)，像點(diǎn)非常集中地成像到每個(gè)像元內(nèi)。整體系統(tǒng)采用硅鍺結(jié)合降低熱像差，選用鋁合金作為鏡筒材料，熱膨脹系數(shù)為23.6×10-6/℃，圖8(b)、8(c)、8(d)為光學(xué)系統(tǒng)在-20 ℃、20 ℃和60 ℃的傳遞函數(shù)(MTF)曲線，發(fā)現(xiàn)在Nyquist頻率(17 lp/mm)傳遞函數(shù)均超過0.6，說明整體成像系統(tǒng)在這3個(gè)溫度下成像質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià) Fig.8 Image quality evaluation

5 結(jié) 論

本文對(duì)一種新型紅外分孔徑偏振成像系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。該成像儀采用透鏡陣列將光學(xué)系統(tǒng)分成4個(gè)同軸子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，容易加工。分別對(duì)分孔徑成像系統(tǒng)和中繼成像系統(tǒng)進(jìn)行了分析，系統(tǒng)共使用19片透鏡(前置3×4片，后置7片)，選擇硅鍺材料，達(dá)到紅外系統(tǒng)無熱化設(shè)計(jì)，將探測(cè)器冷光闌與中繼成像系統(tǒng)出瞳重合，并利用遠(yuǎn)心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)與紅外制冷探測(cè)器的匹配。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，全視場(chǎng)的MTF在奈奎斯特頻率17 lp/mm處高于0.7，成像質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] UNGERH，ZEEVIY Y. Blind separation of a dynamic image sourcefrom superimposed reflection[J].SPIE,2005,5888:588803.

[2] 王騏，梁小雪，魏靖松，等.采用條紋管激光成像系統(tǒng)的偏振成像實(shí)驗(yàn)[J].紅外與激光工程， 2010， 39(3): 427-430.

WANG Q，LIANG X X，WEI J S，etal.. Experiment oflaser polarization imaging using streak tube laser imagingsystem[J].InfraredandLaserEngineering，2010，39(3):427-430.(in Chinese)

[3] TYO J S, L D, GOLDSTEIN,etal.. Review of passive imaging polarimetry for remote sensing applications[J].AppliedOptics，2006,45(22):5453-5469.

[4] SCHECHNERY Y.Polarization-based vision through haze[J].AppliedOptics,2003.

[5] HALAJIAN J D，HALLOCK H B. Computerized polarimetric terrain mapping system:US 3864513[P]. 1975-09-11.

[6] 張朝陽，程海峰，陳朝輝，等.偽裝遮障的光學(xué)與紅外偏振成像[J].紅外與激光工程,2009，38(3): 423-426.

ZHANG CH Y，CHENG H F，CHEN ZH H,etal.. Polarimetric imaging of camouflage screen in visibleand infrared wave band[J].InfraredandLaserEngineering,2009，38(3):423-426.(in Chinese)

[7] 陳偉力，王霞，金偉其，等.采用中波紅外偏振成像的目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)[J].紅外與激光工程,2011， 40(1):7-11.

CHEN W L，WANG X，JIN W Q,etal.. Experiment of target detection based on medium infrared polarization imaging[J].InfraredandLaserEngineering,2009，40(1):7-11.(in Chinese)

[8] 楊長久，李雙， 裘楨煒，等.同時(shí)偏振成像探測(cè)系統(tǒng)的偏振圖像配準(zhǔn)研究[J].紅外與激光工程,2013，42(1)：262-267.

YANG CH J，LI SH，QIU ZH W,etal.. Study on image registration of simultaneous imagingpolarization system[J].InfraredandLaserEngineering,2013，42(1)：262-267.(in Chinese)

[9] JONES R C.A new calculus for the treatment of opticalsystems:I.Description and discussion of the calculus[J].Opt.Soc.Am,1941,31：488-493.

[10] 于建冬，梁中翥，梁靜秋，等.成像光譜儀大孔徑前置物鏡設(shè)計(jì)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(2)：0222002.

YU J D，LIANG ZH ZH，LIANG J Q,etal.. Research and design of prefixing objective with large aperture in imaging spectrometer[J].ActaOpticaSinica，2015，35(2)：0222002.(in Chinese)

[11] 韓寧.紅外偏振成像技術(shù)研究[M].南京：南京理工大學(xué)，2008.

HAN N.StudytheImageofInfraredPolarization[M]. Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2008.(in Chinese)

[12] 李淑軍，姜會(huì)林，朱京平，等.偏振成像探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].中國光學(xué)，2013，6(6): 803-809.

LI SH J，JIANG H L，ZHU J P,etal.. Development status and key technologiesof polarization imaging detection[J].ChineseOptics，2013，6(6):803-809.(in Chinese)

[13] 王霞，張明陽，陳振躍，等.主動(dòng)偏振成像的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述[J].紅外與激光工程，2013，42(8)：2244-2251.

WANG X，ZHANG M Y，CHEN ZH Y,etal.. Overview on System structure of active polarization imaging[J].InfraredandLaserEngineering，2013，42(8)：2244-2251.(in Chinese)

[14] 賀虎成.分孔徑同時(shí)偏振成像光學(xué)系統(tǒng)的研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2014.

HE H CH. Study on Optical System of Simultaneous and Complete Polarization Imaging[D]. Suzhou：Soochow University，2014.(in Chinese)

[15] 曲賀盟，張新.高速切換緊湊型雙視場(chǎng)無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國光學(xué)，2014，4(9)：622-630.

QU H M，ZHANG X. Design of athermalized infrared optical system withhigh-speed switching and compact dual-FOV[J].ChineseOptics，2014，4(9)：622-630.(in Chinese)

[16] PEZZANITI J L，CHENAULTD B. A division of aperture MWIR imaging polarimeter[J].SPIE，2005，5888:58880V.

[17] 郜洪云，熊濤，楊長城.中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[J].光學(xué) 精密工程，2007，7(6)：1038-1043.

GAO H Y，XIONG T，YANG CH CH. Middle infrared continuous zoom optical system[J].Opt.PrecisionEng.，2007，7(06)：1038-1043.(in Chinese)