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Imaging method Advantages Disadvantages Time-sharing polarization imaging Rotating polarizer Simple system structure; Low cost; Small energy
loss; High spatial resolutionPoor real-time performance; Poor
reliability of moving partsElectrically tuned LCD Simple system structure; Small size; Easy to adjust;
High spatial resolutionPoor real-time performance; Large energy loss Simultaneous polarization imaging Amplitude sharing Good real-time performance;
High spatial resolutionComplex structure; High adjustment requirements;
Big size; Large energy loss; High costAperture sharing Good real-time performance; Relatively
low cost; Compact structureRelatively complex structure;
Loss of spatial resolutionFocal plane sharing Good real-time performance; Small size;
Compact structure; High integrationHigh adjustment requirements; Instantaneous field of
view error; Loss of spatial resolutionTable 1. Realization and characteristics of polarization imaging
通过对比可知,分时偏振成像方式的实时性较差,无法针对运动目标进行探测,严重制约了其应用范围。同时偏振成像方式则都具有很好的实时性,其中分振幅偏振成像方式,系统结构复杂,能量损失严重,成本很高,综合性能较差;分焦平面偏振成像方式具有集成度高、体积小等优点,是未来发展的趋势,但目前整体性能受限于分焦平面探测器的制备工艺及其他一些关键技术;而分孔径偏振成像方式能够在一定程度上兼顾技术可行性和偏振探测性能,因此文中选用该种方式实现偏振成像探测。
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为了实现Stokes参量的测量,分孔径中波红外偏振成像光学系统需要具有四个通道,分别用于获取0°,45°,90°和135°的偏振图像。根据实际使用需求确定的具有中等作用距离探测能力的分孔径中波红外偏振成像光学系统的相关参数如表2所示。
Parameter Value Wavelength/μm 3.7-4.8 Focal length/mm 240 F# 6 Field/(°) 1.15×0.92 Number of pixels 320×256 Pixel size/μm2 30×30 Table 2. Parameters of the designed optical system
1)光学材料
光学材料选择中波红外波段最常用的硅和锗。这两种材料不仅在中波红外波段具有很高的透过率,还具备高折射率和低色散的显著优点,更加利于系统像差的校正。
2)红外偏振片
红外偏振片是获取不同方向偏振分量,实现偏振成像的关键光学元件。通过分析各类偏振片的综合性能,最终选用在增透膜硅基底上沉积线性间隔的线栅图案制备而成的线栅偏振片,具体为THORLABS公司的硅基底中红外线栅偏振片,其工作波段为3~5 μm,外径为Φ25 mm,消光比大于1 000∶1,在特定波长范围平均透射率大于85%。
3)光学设计
调研相关文献,总结得到的中波红外分孔径偏振成像光学系统的结构如表3所示。通过分析可知,已报道的中波红外分孔径偏振成像光学系统普遍采用分孔径阵列组设置于平行光路的结构形式。该种结构形式需要增加额外的准直镜组,或者需要将分孔径阵列组设置在光学系统最前端。准直镜组会进一步降低系统透过率,加剧偏振片透过率低造成的负面影响,同时也会增加光学系统长度;而分孔径阵列组设置在光学系统最前端的结构形式,会显著增加分孔径阵列组的直径,相应的需要更大口径的偏振片与之适配。
Structure of polarization imaging optical system Number of optical elements per channel Transmittance estimation 12 lenses 1 polarizer 52.4% 10 lenses 1 polarizer 56.8% 13 lenses 1 polarizer 50.2% 12 lenses 2 wave plates 1 polarizer < 48.3% 注:根据当前红外透镜镀膜工艺水平以及线偏振片的性能,透过率估算过程中取红外透镜单面透过率为98%,偏振片透过率为85% Table 3. Comparison of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system
为了提升分孔径偏振成像光学系统的性能,文中针对中波红外偏振成像光学系统的结构形式进行了改进,所设计分孔径中波红外偏振成像光学系统主要由物镜组、分孔径阵列组和二次成像组组成,如图1所示。其中,物镜组采用远摄物镜结构形式,能够在较大程度上压缩光学系统的轴向尺寸。分孔径阵列组主要包括偏振片和透镜组。将分孔径阵列组布置在物镜组后的结构形式,能够减小分孔径阵列的半径,使得小口径偏振片就能够满足使用需求,同时也控制了整个光学系统的体积。此外,这样的结构形式有利于减小分孔径阵列的偏心程度,更容易实现像差校正。而二次成像组能够压缩物镜组的口径,保证100%冷光阑匹配效率。分孔径中波红外偏振成像光学系统在工作过程中,入射光束通过共口径物镜组以及四个偏心分孔径阵列组分别获得四幅偏振图像,然后通过二次成像组将偏振图像同时成像到焦平面探测器的不同区域。
Figure 1. Schematic diagram of initial structure of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system
在分孔径中波红外偏振成像光学系统初始结构设计过程中,主要依据以下物像关系和焦距计算公式确定相关参数:
确定的初始结构参数为:f1=300 mm,f2=200 mm,f3=18.44 mm,d1=200 mm,d2=67.13 mm。
经过迭代优化,最终完成的分孔径偏振成像光学系统结构如图2所示。该光学系统结构简单紧凑,体积与同规格的常规红外光学系统接近,系统全长为318.85 mm;采用7片透镜完成了分孔径中波红外偏振成像光学系统单通道像差校正的工作,透过率有了很大提升,能够达到64.1%,从而有效弥补了偏振片导致的系统透过率损失,保证了偏振成像光学系统具有优良的探测性能。
分孔径偏振成像光学系统的三维模型如图3所示。
在中波红外分孔径偏振成像光学系统优化设计过程中,充分考虑了镜片加工的成本和工艺性,完全采用球面镜进行设计,避免了非球面的引入,同时也保证了每个镜片具有合适的中心厚度和边缘厚度。
所设计分孔径中波红外偏振成像光学系统的每个通道分别成像在红外焦平面探测器的1/4面积上,与之对应的光束在入瞳处的分布如图4所示。
Figure 4. Results of the pupil distribution in the medium-wave infrared polarization imaging optical system
4)像质分析与评价
为了客观评价所设计分孔径光学系统的成像质量,分别就光学系统单通道的点列图、MTF和像差曲线进行了分析,结果如图5~7所示。由于分孔径阵列组的偏心导致光学系统的每个通道不再具备旋转对称性,为了保证像质分析结果的全面性和准确性,分别在X和Y两个方向进行了分析。
Figure 5. Spot diagram of single channel of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system
Figure 6. MTF of single channel of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system
Figure 7. OPD of single channel of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system
通过分析可知,各个视场的点列图RMS直径小于艾里斑直径,MTF接近衍射极限,各类像差得到了较好的校正,成像质量良好,能够满足使用要求。
5)公差分析
为了合理确定制冷型中波红外偏振成像光学系统的加工和装调精度,在保证光学系统性能和指标满足使用要求的同时,有效控制其生产成本和难度,文中采用蒙特卡洛法进行了公差分配与分析,公差分配结果如表4所示。
Surface Tolerance Test plate fit 1-16 2 Irregularity 1-16 0.5 Thickness/mm 1-16 0.02 Decenter/mm 1-16 0.02 Tilt/(″) 1-4 30 5-16 40 Table 4. Tolerance limits
对分析结果进行统计,能够得到不同视场下的累积概率曲线。图8所示分别为系统0°和±0.73°视场的累积概率曲线。从图中可知,光学系统的MTF达到设计值的80%的概率大于82%,能够满足使用要求。
6)冷反射分析
对于中波红外波段的制冷型光学系统,其探测器的制冷器会作为冷光源向外辐射,冷光线被光学系统的光学界面微弱反射后返回探测器,从而形成自身冷像。冷反射的存在会影响光学系统的成像质量,因此,在制冷型中波红外光学系统设计过程中要充分考虑并在最大程度上减小冷反射效应的影响。通常利用YNI和I/IBAR两个参数来评价光学系统各个表面产生冷反射的强度。当YNI和I/IBAR均小于1时,该面可能产生冷反射。表5为所设计制冷型中波红外偏振成像光学系统的冷反射分析结果。
Surface Clipping aperture YNI/mm I/IBAR 1 13 (R) 1.726 3.85 2 13 (R) −2.12 1.924 3 13 (R) −2.206 2.024 4 13 (R) −0.623 1.283 5 13 (R) −0.395 1.578 6 13 (R) −0.393 1.578 7 13 (R) 0.486 −1.887 8 13 (R) 0.096 −0.382 9 13 (R) −0.95 4.703 10 13 (R) −0.416 1.845 11 13 (R) −0.471 2.253 12 13 (R) −0.919 5.709 13 20 (R) 0.169 2.086 14 20 (F) 0.043 −0.249 15 20 (R) 0.693 2.647 16 20 (F) 0.167 −1.241 Table 5. Result of cold reflection analysis
根据冷反射分析结果,第8、14两个面有可能产生比较严重的冷反射效应。为此,采用反向追迹光线法对这两个面进行分析。分析结果如图9所示。
通过光线追迹分析可知,第8个面反射回去的光线聚焦到像面前121.9 mm,第14个面反射回去的光线聚焦到像面后223.8 mm处,均没有聚焦到像面上。因此,不会产生严重的冷反射。
Design of cooled medium-wave infrared polarization imaging optical system
doi: 10.3788/IRLA20200208
- Received Date: 2020-08-12
- Rev Recd Date: 2020-09-15
- Available Online: 2021-02-07
- Publish Date: 2021-02-07
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Key words:
- polarization imaging /
- aperture sharing /
- cooled /
- medium-wave infrared
Abstract: In addition to the advantages of traditional infrared intensity imaging, such as long detection distance, all-weather working and good concealment, infrared polarization imaging technology based on the difference between the target and background polarization characteristics can effectively reduce background interference, suppress background clutter, enhance image contrast, improve signal-to-noise ratio, and has broad application prospects. In order to effectively suppress the background clutter interference in the process of air and sea detection, enhance the target detection ability in fog, haze and smoke, as well as the backgrounds of small temperature differences and low illumination, the design of a four channel aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system with a focal length of 240 mm was completed. Tolerance analysis was carried out by using Monte Carlo method to ensure the rationality of the precision of optical system processing and assembly. The results of image quality analysis show that the MTF of the optical system is close to the diffraction limit, aberrations have been effectively corrected, and the imaging quality is good. The influence of Narcissus effect on the imaging quality of the cooled infrared optical system was verified by Narcissus analysis. In addition, the optical system proposed has a compact structure and high transmittance, avoiding the use of aspheric surfaces, and has good processing and assembly technique.