专利名称：双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电成像领域，尤其是一种双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统。
背景技术：
Stokes矢量可以完全描述光波的强度和偏振态，为了得到目标光辐射的四个Stokes参量，至少需要获取同一目标的四幅不同偏振态图像。根据此原理，国内外设计研制了很多偏振成像系统。现在技术中主要的偏振成像方式有两种一分时偏振成像和同时偏振成像，这两种方法存在一定的限制因素，制约了偏振成像技术的应用领域。分时测量方法采用旋转光学元件或延迟可变固定波片的方式按照时序依次采集不同偏振态的四幅图像，用于计算被探测目标的偏振特性。根据斯托克斯理论，目标光辐射的四个Stokes参量的测量必须对相同的目标、在相同的照明和相同的探测器参数设置条件下采集才能真实反映被探测目标的偏振特性，此要求决定了分时测量方法饿正确性依赖于四幅不同偏振态图像的采集过程中，被探测目标和偏振成像系统相对静止、环境光辐射恒定、相机参数设置不变，因此使用分时偏振成像方法对运动/变化目标进行偏振成像探测时，可能由于目标的运动/变化引入虚假的偏振信息。所以分时偏振成像方法多用于地表植被、建筑物、矿藏资源等静态地物的偏振成像探测，不适用于动态目标的偏振成像探测。同时偏振成像方法通过一次曝光获得目标的四幅不同偏振态图像，无运动部件，系统可靠性和稳定性好，解决了分时偏振成像中多次分时测量存在的问题。同时偏振成像主要有分振幅、分孔径和分焦平面三种偏振成像方式。分振幅同时偏振成像采用四个CCD、四套光学系统，能量利用率低，而且四个CCD的响应非均匀性、四套光学系统性能的不一致性，均会引入偏振测量偏差，且系统体积重量大。分孔径偏振成像的实例采用胶合双楔角渥拉斯顿棱镜实现分孔径，在一个CCD上同时采集四幅偏振图像，但是国内不能生产满足要求的胶合双楔角渥拉斯顿棱镜。分焦平面同时偏振成像，通过在焦平面探测器上集成微偏振片或微波片阵列实现同时偏振成像，国内尚不具备该制造工艺。
发明内容
本发明的目的是提出一种双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，解决了分振幅同时偏振成像能量利用率低、四套光学系统响应不一致等应用限制，克服了分孔径和分焦平面同时偏振成像对制造工艺水平的要求。为了达到上述目的，本发明的技术方案为双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，包括前置望远系统、分振幅模块、分孔径模块和2个大面阵CCD，所述分孔径模块包括两个半波片和两个立方体渥拉斯顿棱镜，所述前置望远系统前端设定为光辐射入射端，后端为光辐射出射端，目标物辐射通过前置望远系统得到压缩准直光束，入射到分振幅模块后分为垂直出射的两路，其中一路经过分孔径模块中的一组半波片和渥拉斯顿棱镜后分为偏振态不同的两路，两路以夹角形式出射，并在所述2个大面阵CCD中的其中一个大面阵CCD上显示出两个部位的目标物影像，另一路经过分孔径模块中的另一组半波片和渥拉斯顿棱镜后也分为成偏振态不同的两路，两路以夹角形式出射，并在另一个大面阵CCD上显示出两个不同部位的目标物影像，最终一次性曝光在两个大面阵CCD上实现四偏振态同时成像。所述前置望远系统前端设定为光辐射入射端，后端为光辐射出射端，单色滤光片放置在靠近所述前置望远系统的后端面位置，所述前置望远系统内部靠近前、后端面分别放置透镜组，靠近后端面的透镜组与所述单色滤光片相对，在前后两个透镜组之间、前端透镜组的后焦面处放置可调视场光阑，前后两个透镜组和视场光阑构成准直光路。
所述分振幅模块包括一块消偏振分光棱镜，消偏振分光棱镜的直角端面为光束入射面，消偏振分光棱镜的斜面为分光面，消偏振分光棱镜的另外两个直角端面为光束出射面。所述渥拉斯顿棱镜的直角端面分别与消偏振分光棱镜的两个直角光束出射面相对，为光入射面，其中一个渥拉斯顿棱镜与所述消偏振分光棱镜的直角光束出射面之间放置方位角为22. 5°的半波片，为平衡两路的光程，另一个渥拉斯顿棱镜与所述消偏振分光棱镜的直角光束出射面之间放置方位角为0°的半波片，所述两个快轴方位角相差22. 5°的半波片和两个渥拉斯顿棱镜构成分孔径模块，目标的光辐射经过前置望远系统中准直光路准直、单色滤光片滤光后入射到所述消偏振分光棱镜，一部分光从所述消偏振分光棱镜的斜面、直角面透射后入射到方位角为0°的半波片和渥拉斯顿棱镜，另一部分光被所述消偏振分光棱镜的斜面反射后从直角面透射，入射到方位角为22. 5°的半波片和渥拉斯顿棱镜，光束经过渥拉斯顿棱镜的双折射效应后出射。所述两个大面阵CCD探测器分别接受从两个渥拉斯顿棱镜出射的不同偏振态光束，所述两个CCD为大面阵CCD，抵消了分孔径模块带来的分辨力损失。所述前置望远系统靠近前端面的透镜组，其相对孔径F和焦距f随着成像距离不同为可调的。所述CXD探测器的像面与所述渥拉斯顿棱镜之间分别放置成像透镜。本发明的有益效果(1)本发明无运动部件，结构紧凑，系统稳定性好、可靠性高，体积重量较分振幅同时偏振成像小。(2)本发明一次曝光获得四幅不同偏振态图像，探测速度快，可以用于快速运动/变化目标的偏振成像，如水面波纹坡度的偏振成像检测，水面波纹随时间无规律变化，因此需要同时测量水面波纹的四个不同偏振态，使用双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像可以实现。(3)本发明不受探测器和目标相对运动的影响，因此可用于运动目标的偏振成像观测。(4)本发明的探测方式决定四个不同的偏振态同时成像，因此环境辐射能量变化不会影响偏振测量结果。
图I为本发明光路结构图.
具体实施例方式如图I所示。双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像方法，包括接收目标光辐射的前置望远系统1，前置望远系统I的前端为光入射段，后端为光出射端，前置望远系统I内靠近前、后端面分别放置透镜组2、4，靠近前置望远系统I的后端透镜组4的位置放置单色滤光片5，透镜组4和单色滤光片5相对，靠近前端的透镜组2的相对孔径F、焦距f随测量目标距离不同是可调的。两透镜组2、4之间位于前置望远系统I的前端透镜组2的焦平面处放置视场光阑3，透镜组2、4和视场光阑3构成准直光路；前置望远系统I的单色滤光片5后放置分振幅模块,分振幅模块由消偏振分光棱镜6构成,消偏振分光棱镜的一个直角端面为入射面，斜面为分光面，另外两个直角端面为光束出射面；靠近消偏振分光棱镜6光出射的两个直角端面分别放置分孔径模块，分孔径模块包含两个分离的渥拉斯顿棱镜8、12和两个半波片7、11，目标的光辐射经过前置望远系统I准直光路准直后经过单色滤光片5滤波后入射到消偏振分光棱镜6, —部分光透过消偏振分光棱镜6的斜面、直角面后经过方位角为0°的半波片7入射到渥拉斯顿棱镜8，经渥拉斯顿棱镜8双折射后分为偏振角0° >90°的两束光以一定夹角出射,另一部分光被消偏振分光棱镜6的斜面反射,再从消偏振分光棱镜6的直角面出射，经过方位角22. 5°的半波片11入射到渥拉斯顿棱镜12，经渥拉斯顿棱镜12双折射后分为偏折角45°和135°的两束光以一定的夹角出射；还包括成像透镜9、13和CXD探测器10、14，透镜9把渥拉斯顿棱镜8出射的两个正交偏振态光束分别成像在CXD探测器10的上下两部分，透镜13把渥拉斯顿棱镜11出射的两个正交偏振态光束分别成像在CXD探测器14的左右两部分。CXD探测器10和CXD探测器14同时采集的四幅不同偏振态图像送入计算机15处理，获得被测目标的Stokes参量信息。本发明的工作原理本发明使用一套望远系统、两个成像镜头、两个(XD，通过一次曝光同时获得同一目标的四幅不同偏振态图像，进一步通过计算得到目标光辐射的Stokes参量，解决了分时偏振成像和分振幅同时偏振成像的应用限制，以及分孔径和分焦平面同时偏振成像对制造工艺水平的要求。目标光辐射首先被前置望远系统中靠近前端的透镜组会聚到其焦平面处，在焦平面处放置视场光阑，光束经过光阑后，通过后端透镜组准 直，单色滤光片滤光，变成平行光束，再经过分振幅模块分成偏振态相同、传播方向垂直的两束平行光，其中一束光经过方位角为0°的半波片、渥拉斯顿棱镜，分为偏振角为0°和90°的两束光以一定夹角出射，通过成像透镜在CXD的上下两部分分别成像，另一束光经过方位角22. 5°的半波片、渥拉斯顿棱镜，分为偏振角为45°和135°的两束光以一定夹角出射，通过成像透镜在CXD的上下两部分分别成像。
权利要求
1.双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，包括前置望远系统、分振幅模块、分孔径模块和2个大面阵CCD，其特征在于所述分孔径模块包括两个半波片和两个立方体渥拉斯顿棱镜，所述前置望远系统前端设定为光辐射入射端，后端为光辐射出射端，目标物辐射通过前置望远系统得到压缩准直光束，入射到分振幅模块后分为垂直出射的两路，其中一路经过分孔径模块中的一组半波片和渥拉斯顿棱镜后分为偏振态不同的两路，两路以夹角形式出射，并在所述2个大面阵CCD中的一个大面阵CCD上显示出两个部位的目标物影像，另一路经过分孔径模块中的另一组半波片和渥拉斯顿棱镜后也分为成偏振态不同的两路，两路以夹角形式出射，并在所述的另一个大面阵CCD上显示出两个不同部位的目标物影像，最终一次性曝光在两个大面阵CCD上实现四偏振态同时成像。
2.如权利要求I所述的双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，其特征在于单色滤光片放置在靠近所述前置望远系统的后端面位置，所述前置望远系统内部靠近前、后端面分别放置透镜组，靠近后端面的透镜组与所述单色滤光片相对，在前后两个透镜组之间、前端透镜组的后焦面处放置可调视场光阑，前后两个透镜组和视场光阑构成准直光路。
3.如权利要求I或2所述的双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，其特征在于所述分振幅模块包括一块消偏振分光棱镜，消偏振分光棱镜的直角端面为光束入射面，消偏振分光棱镜的斜面为分光面，消偏振分光棱镜的另外两个直角端面为光束出射面。
4.如权利要求3所述的双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，其特征在于所述渥拉斯顿棱镜的直角端面分别与消偏振分光棱镜的两个直角光束出射面相对，为光入射面，其中一个渥拉斯顿棱镜与所述消偏振分光棱镜的直角光束出射面之间放置方位角为22. 5°的半波片，为平衡两路的光程，另一个渥拉斯顿棱镜与所述消偏振分光棱镜的直角光束出射面之间放置方位角为0°的半波片，所述两个快轴方位角相差22. 5°的半波片和两个渥拉斯顿棱镜构成分孔径模块，目标的光辐射经过前置望远系统中准直光路准直、单色滤光片滤光后入射到所述消偏振分光棱镜，一部分光从所述消偏振分光棱镜的斜面、直角面透射后入射到方位角为0°的半波片和渥拉斯顿棱镜，另一部分光被所述消偏振分光棱镜的斜面反射后从直角面透射，入射到方位角为22. 5°的半波片和渥拉斯顿棱镜，光束经过渥拉斯顿棱镜的双折射效应后出射。
5.如权利要求I或2或4所述的双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，其特征在于所述两个大面阵CCD探测器分别接受从两个渥拉斯顿棱镜出射的不同偏振态光束，抵消分孔径模块带来的分辨力损失。
6.如权利要求I或2或4所述的双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，其特征在于所述前置望远系统靠近前端面的透镜组，其相对孔径F和焦距f 随着成像距离不同为可调的。
7.如权利要求I或2或4所述的双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，其特征在于所述CXD探测器的像面与所述渥拉斯顿棱镜之间分别放置成像透镜。
全文摘要
本发明为双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统，包括前置望远系统、分振幅模块、分孔径模块和2个大面阵CCD，目标物辐射通过前置望远系统得到压缩准直光束，入射到分振幅模块后分为垂直出射的两路，其中一路经过方位角0°的半波片和渥拉斯顿棱镜构成的分孔径模块，分为偏振态不同的两路，两路以夹角形式出射，并在所述2个大面阵CCD中的其中一个大面阵CCD上显示出两个部位的目标物影像，另一路经过半波片和渥拉斯顿棱镜构成的分孔径模块，分为成偏振态的两路，两路以夹角形式出射，并在另一个大面阵CCD上显示出两个不同部位的目标物影像，最终一次性曝光在两个大面阵CCD上实现四偏振态同时成像。解决了分振幅同时偏振成像能量利用率低、四套光学系统响应不一致等应用限制。
文档编号G01C11/02GK102707452SQ20121022793
公开日2012年10月3日 申请日期2012年7月2日 优先权日2012年7月2日
发明者刘敬, 杜岚, 王霞, 金伟其 申请人:北京理工大学