一种共孔径水下光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种共孔径水下光学系统，包括沿激光器出射光路以及目标返回光路依次设置的起偏器、激光发散镜、带孔反射镜、遮光筒、光学窗口、检偏器和成像镜头；遮光筒为锥形，从带孔反射镜的小孔处延伸至光学窗口，带孔反射镜以45

【技术实现步骤摘要】
一种共孔径水下光学系统


[0001]本专利技术属于水下光电成像
，具体涉及一种共孔径水下光学系统。

技术介绍

[0002]共孔径水下光学系统是指在水下自带光源的主动光电成像系统中采用的光学系统，主要用于距离选通水下激光成像系统。
[0003]在水下，成像环境比空气中复杂得多，成像距离大大缩短，成像质量也显著降低。由于水体散射强烈，成像距离近，通常水下主动光电成像系统的照明窗口和成像窗口是分置的，例如加拿大瓦尔卡捷国防研究院的LUCIE系列距离选通激光成像系统，美国Spartz公司的SeeRay水下激光成像系统，瑞典TURN LLC公司的LSV
‑
WAqua Lynx水下激光成像系统，丹麦3D underwater laser radar水下激光雷达等。
[0004]目前，暂未见到有关共孔径水下光学系统的报道，但为了获取水下近距离的高分辨率三维图像，消除照明和成像视差，将激光发射与成像光轴设计为重合，实现共孔径水下光电成像是完全必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种消除近距离成像视场盲区、结构紧凑、后向散射抑制效果优良的共孔径水下光学系统，特别适合用于距离选通水下激光成像系统，实现水下高分辨率三维成像的同时不会妨碍系统用于水下被动光电成像。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种共孔径水下光学系统，包括沿激光器出射光路以及目标返回光路依次设置的起偏器、激光发散镜、带孔反射镜、遮光筒、位于耐压壳体上的光学窗口、位于入射光路上的检偏器和成像镜头，所述的遮光筒为锥形，从带孔反射镜的小孔处延伸至光学窗口，所述的带孔反射镜以45
°
角倾斜放置。激光器发出准直蓝绿激光，经起偏器起偏变为线偏振光，再经过激光发散镜扩展为一定角度的照明光束，经带孔反射镜的小孔射出，通过光学窗口进入水中，激光照射水下目标，目标返回光线再次通过光学窗口进入系统，经带孔反射镜反射后，由检偏器对光线进行检偏去除内部反射杂散光，进入摄像机的成像镜头，最后成像在靶面上，完成整个目标探测过程。
[0007]所述的一种共孔径水下光学系统，其起偏器采用垂直偏振方向且直径为1英寸的偏振片。
[0008]所述的一种共孔径水下光学系统，其激光发散镜为标准凹透镜。
[0009]所述的一种共孔径水下光学系统，其带孔反射镜为椭圆形结构，呈45
°
倾角放置，中间圆孔面积小于反射镜面面积的10%。
[0010]所述的一种共孔径水下光学系统，其遮光筒为圆台形中空铝制器件，锥角为10
°
，其内外表面整体进行发黑氧化处理，反射率在0.03以下。
[0011]所述的一种共孔径水下光学系统，其光学窗口内外表面均镀有透过率大于98%的激光增透膜。
[0012]所述的一种共孔径水下光学系统，其检偏器采用水平偏振方向的偏振片，尺寸大于成像镜头的口径。
[0013]所述的一种共孔径水下光学系统，其成像镜头的入瞳位于带孔反射镜的小孔中心处。
[0014]本专利技术的有益效果是：本专利技术系统工作时，激光器发射的准直激光经起偏器、激光发散镜、遮光筒和光学窗口出射照明水下目标，目标回波进入光学窗口后，经带孔反射镜反射以及检偏器检偏，进入成像镜头，最后在靶面上成像。带孔反射镜以45
°
角倾斜放置，保证了照明与成像共光轴和共孔径。
[0015]本专利技术用于距离选通水下激光成像系统时，照明视点与成像视点基本重合，能够充分利用照明激光的能量，并获得没有视差的图像，当采用一系列距离选通切片图像进行三维图像重构时，能够获取距离精度很高的三维图像，增强系统对水下微小目标及低对比度目标的识别能力。
[0016]本专利技术系统能够完全消除水下近距离成像盲区，且系统结构紧凑，无需特殊光学元件，易于制作，同时通过遮光筒消光及偏振检测等多种措施抑制内部反射杂散光，有效提高了水下成像质量。本专利技术也可用于水下被动光电成像系统。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的系统组成图；图2为本专利技术激光发射成像共孔径等效原理图。
[0018]各附图标记为：1—激光器，2—起偏器，3—激光发散镜，4—带孔反射镜，5—遮光筒，6—光学窗口，7—检偏器，8—成像镜头，9—靶面。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和具体实施例以距离选通水下激光成像系统为应用背景，说明本专利共孔径水下光学系统的一种具体实施方法。
[0020]如图1所示，如图1所示，本专利技术公开的一种共孔径水下光学系统，包括作为水下照明光源的激光器1以及沿激光器1出射光路及目标返回光路依次设置的起偏器2、激光发散镜3、带孔反射镜4、遮光筒5、光学窗口6，检偏器7和成像镜头8。所述的遮光筒5为锥形，从带孔反射镜4的小孔处延伸至光学窗口6，所述的带孔反射镜4以45
°
角倾斜放置，其中光学窗口6位于耐压壳体上，也应看作系统的一部分。脉冲蓝绿激光器1发出准直蓝绿激光，经起偏器2起偏变为线偏振光，再经过激光发散镜3扩展为一定角度的照明光束，经带孔反射镜4的小孔射出，通过光学窗口6进入水中，激光照射水下目标，目标返回光线再次通过光学窗口6进入系统，经带孔反射镜4反射后，由检偏器7对光线进行检偏去除内部反射杂散光，最后进入选通摄像机的成像镜头8，成像镜头8接收返回目标光线并成像在靶面9上，完成整个目标探测过程。
[0021]起偏器2采用垂直偏振方向的偏振片，根据所选蓝绿激光器的光束直径及瞬时功率密度确定起偏器2的尺寸和抗激光损伤阈值，起偏器2的直径要远大于激光束直径，由于一般激光束直径不过数毫米，可选用典型的直径为1英寸，而激光瞬时功率密度通常达到MW级，起偏器2抗损伤阈值应大于这个值，并留有足够的裕量。
[0022]激光发散镜3选用标准凹透镜，根据激光束直径大小进行选型并将激光束扩展到10
°
，经过光学窗口6折射入水后，水中照明视场角约为7.5
°
。激光发散镜3的抗激光损伤阈值也应大于激光瞬时功率密度并留有足够的裕量。
[0023]带孔反射镜4为椭圆形结构，呈45
°
倾角放置，中间有一圆孔（沿激光出射方向的投影），其外形尺寸根据光学窗口6大小以及视场大小来确定，对成像光线进行外包络追迹，带孔反射镜4的尺寸应不小于它所在位置的包络，小孔的面积应小于反射镜面面积的10%，以减小成像系统的渐晕现象。
[0024]遮光筒5对发散后的激光束进行约束，并对经过光学窗口6反射回来的光线进行吸收，以避免出射及反射激光在耐压壳体腔内形成干扰，降低图像质量。遮光筒5为圆台形中空铝制器件，其对应的锥角为10
°
，正好包含发散后的激光束，其内外表面整体进行发黑氧化处理，反射率控制在0.03以下，越低越好。其长度应从带孔反射镜4的小孔处延伸至光学窗口6附近，与光学窗口6之间的间隙尽量小，但应保证光学窗口6在最大水深工作时产生形变不会碰到遮光筒5。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种共孔径水下光学系统，其特征在于：包括沿激光器（1）出射光路以及目标返回光路依次设置的起偏器（2）、激光发散镜（3）、带孔反射镜（4）、遮光筒（5）、光学窗口（6）、检偏器（7）和成像镜头（8），所述的遮光筒（5）为锥形，从带孔反射镜（4）的小孔处延伸至光学窗口（6），所述的带孔反射镜（4）以45
°
角倾斜放置，激光器（1）发出准直蓝绿激光经起偏器（2）起偏变为线偏振光，再经过激光发散镜（3）扩展为照明光束，经带孔反射镜（4）的小孔射出，通过光学窗口（6）进入水中，照射水下目标，目标返回光线进入光学窗口（6），经带孔反射镜（4）反射，由检偏器（7）进行检偏去除内部反射杂散光，最后进入成像镜头（8），在靶面（9）上成像，完成整个目标探测过程。2.根据权利要求1所述的一种共孔径水下光学系统，其特征在于，所述的起偏器（2）采用垂直偏振方向且直径为1英寸的偏振片。3.根据权利要求1所述的一种共孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：何大华，林子钦，李阳阳，柴炎，黄程，吴耀，
申请(专利权)人：武汉华中天纬测控有限公司，
类型：发明
国别省市：