分孔徑紅外偏振成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

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)精密機械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室，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)的紅外強度成像基礎(chǔ)上探測目標的偏振信息，從而準確地區(qū)分出輻射能量相同而偏振態(tài)不同的兩個物體，增強目標與背景的對比度。還可根據(jù)地物與人造目標偏振度的不同，進行目標探測和地物識別[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)測等許多方面。

國際上早在20世紀60年代就開始了對偏振探測技術(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)對識別地物，分辨紅外偽裝防護，探測小溫差目標均有重要意義，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之前改善其工作特性[4]。20世紀90年代，研究者將日本岡山天文臺的近紅外相機與偏振器件組合，依次旋轉(zhuǎn)偏振片獲得線偏振分量，實現(xiàn)了近紅外偏振成像探測[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個探測器實現(xiàn)了紅外偏振實時探測，對人工遮蔽進行了紅外偏振成像實驗[6]。2012年，昆明物理研究所分別探測目標的中波與長波紅外偏振信息，通過對照實驗，分析發(fā)現(xiàn)，中波紅外測得的偏振信息更為準確，誤偏振信息較少[7]。

按照偏振圖像時間特性的不同，紅外偏振成像儀可被分為實時型和非實時型兩種類型。非實時偏振成像技術(shù)是在連續(xù)的時間內(nèi)依次得到目標的多幅偏振圖像；而實時偏振成像技術(shù)則是在單次曝光中得到目標多幅不同偏振狀態(tài)的圖像[8]，具有實時性好，結(jié)構(gòu)簡單緊湊等優(yōu)點。本文提出了一種實時分孔徑紅外偏振成像系統(tǒng)，并對具有偏心量的分孔徑成像系統(tǒng)和與紅外探測器匹配的中繼成像系統(tǒng)進行了設(shè)計研究。整合兩個光學(xué)系統(tǒng)，給出設(shè)計結(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個強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的I、Q、U3個分量，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，因此對于非人造物，探測前3個Stokes矢量足以表達目標的偏振特性[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。將探測器上測得的Stokes矢量與偏振元件的Mueller矩陣做逆運算，即得到入射光Stokes矢量，可解調(diào)出目標物體的偏振態(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)，某時刻目標反射的光進入系統(tǒng)，經(jīng)過偏振通道和分孔徑成像系統(tǒng)分成4個通道，利用中繼成像系統(tǒng)將4束光成像到探測器焦平面上。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個通道，縮小除偏振度外每個通道之間的成像差異。它作為整個系統(tǒng)的核心部分實現(xiàn)了偏振成像儀的輕小化，但設(shè)計仍存在難點，如離軸透鏡陣列的分布及后置成像物鏡與探測器的配準等問題需要在設(shè)計中著重解決。

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個子系統(tǒng)的偏振通道選擇相同材料的線偏振片，單個系統(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，則焦平面上測得的光強I0為:

(3)

圖2 單個偏振通道 Fig.2 Single polarization channel

選擇4個偏振通道的線偏振片方向分別為0°、90°、45°和135°，對應(yīng)的4幅線偏振圖像光強分別為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)就能夠計算出入射光的Stokes矢量。

3 設(shè)計思路

3.1 設(shè)計指標

系統(tǒng)選用的碲鎘汞中波紅外面陣探測器參數(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)計指標：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個通道，將同一物體成4幅圖像。偏振元件對光學(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)

當物體位于無窮遠，即l1=∞時，

(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)計將系統(tǒng)的入瞳放在透鏡之前，實現(xiàn)像方遠心結(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)各類初級像差，計算出結(jié)構(gòu)初級像差均小于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)初級像差

3.3 中繼成像系統(tǒng)分析

中繼成像系統(tǒng)對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角。為在探測器上完整觀察到4幅偏振圖像，要求每幅圖片尺寸不超過探測器像面尺寸的1/4[16]。為使探測器每個像元上得到單個像點，要求RMS半徑在30 μm以內(nèi)。

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

通過以上分析，分別設(shè)計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。為實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的匹配，在設(shè)計時，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，考慮到與紅外制冷探測器的連接，系統(tǒng)都采用的遠心系統(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，實現(xiàn)瞳對瞳匹配。完整的光學(xué)系統(tǒng)如圖7所示，4個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，說明視場范圍內(nèi)，像點非常集中地成像到每個像元內(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個溫度下成像質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

圖8 系統(tǒng)像質(zhì)評價 Fig.8 Image quality evaluation

5 結(jié) 論

本文對一種新型紅外分孔徑偏振成像系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計。該成像儀采用透鏡陣列將光學(xué)系統(tǒng)分成4個同軸子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，容易加工。分別對分孔徑成像系統(tǒng)和中繼成像系統(tǒng)進行了分析，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，達到紅外系統(tǒng)無熱化設(shè)計，將探測器冷光闌與中繼成像系統(tǒng)出瞳重合，并利用遠心系統(tǒng)實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)與紅外制冷探測器的匹配。設(shè)計結(jié)果表明，全視場的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)的偏振成像實驗[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探測實驗[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.同時偏振成像探測系統(tǒng)的偏振圖像配準研究[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)計研究[J].光學(xué)學(xué)報，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，姜會林，朱京平，等.偏振成像探測技術(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無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[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)