同时偏振成像探测系统的光学结构技术方案

本实用新型专利技术公开了一种同时偏振成像探测系统的光学结构，采用分振幅模块和偏振分析模块的结合，共同使用一套光学系统和一个CCD探测器，通过一次测量即可同时获取同一场景的四幅偏振辐射图像，解决了时序测量法和空间匹配测量法存在的问题。没有运动部件，可提高仪器偏振测量精度。此装置非常适合用于快速事件的偏振探测。而且采集的数据量大，仪器操作简单，实现了智能化。在遥感、环境监测等方面有着广泛的应用前景。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光电探测领域，尤其是一种同时偏振成像探测系统的光学结构。
技术介绍
目标光辐射的偏振信息可用四个Stokes矢量完整描述，为了得到这四个Stokes参量信息，至少要获取四幅偏振辐射图像。根据此原理目前设计并研制成功了很多结构形 式的斯托克斯参量成像探测系统。现有技术中主要的偏振成像探测方式有两种一时序测量法和空间匹配测量方法， 这两种方法都存在一定的限制因素，制约了偏振成像技术在其他领域的应用。时序测量方 法采用运动部件或者调制的方式按照时序依次获取不同偏振方向的至少四幅偏振辐射图 像来得到探测目标的偏振特性。根据Stokes理论，目标四个Stokes参量的测量必须在相同 条件下进行才能真实反映被测目标的偏振特性，此要求决定了时序测量结果的正确性依赖 于整个测量过程中目标和偏振成像探测系统都处于静止状态的假设，且光辐射环境不变， 因此时序测量方法在进行运动目标的偏振探测时，可能带来相应误差甚至虚假偏振信息。 故此方法多限于植被、矿物、建筑等静态地物的探测，很少有对于动态目标进行探测，而且 对于地物目标的航空航天探测或者是空间目标的地基测量都无法消除大气扰动对偏振测 量的影响。空间匹配测量方法应用多组偏振测量单元在空间上组合来获取同一目标的偏振 特性，该方法虽解决了时序测量方法中因多次测量存在的问题，但是各个偏振探测单元 (光学系统，探测器等)性能的不一致是该方法在偏振探测中无法消除的误差因素，造成其 探测精度不高，此方法对于弱偏振信息目标无法进行探测。
技术实现思路
本技术的目的是提出一种同时偏振成像探测系统的光学结构，通过分振幅模 块和偏振分析模块的联合使用，共同使用一套光学系统和一个CCD探测器，通过一次测量 即可同时获取同一场景的四幅偏振辐射图像，进而通过计算获取Stokes矢量，解决了现有 技术中由于时序和空间匹配测量方法对探测单元的诸多要求所带来的探测精度低等问题。为了达到上述目的，本技术采用的技术方案为同时偏振成像探测系统的光学结构，包括有前置望远镜，其特征在于所述前置望 远镜前端为入光端，后端为出光端，有光谱滤光片设置在靠近所述前置望远镜的后端位置， 所述前置望远镜内靠近前、后端分别设置有凸透镜组，靠近后端的凸透镜组与所述光谱滤 波片相对，两凸透镜组之间位于所述靠近前端的凸透镜组的焦点处设置有视场光阑，所述 凸透镜组、视场光阑构成准直光路；所述前置望远镜外设置有分振幅模块，所述分振幅模块 包括直角三角分束棱镜，所述直角三角分束棱镜的斜面与所述前置望远镜内靠近后端的凸 透镜组相对；靠近所述直角三角分束棱镜光出射的直角面设置有偏振分析模块，所述偏振 分析模块包括两个立方体状的渥拉斯顿棱镜，所述渥拉斯顿棱镜的一个镜面分别各自与所述直角三角分束棱镜的光出射的直角面相对，为入光面，其中一个渥拉斯顿棱镜与所述直 角三角分束棱镜光出射的直角面之间还设置有1/2波片，所述两个渥拉斯顿棱镜与1/2波 片构成偏振分析模块，目标的辐射光经过前置望远镜中准直光路准直、光谱滤波片滤波后 入射至所述直角三角分束棱镜，一部分光透射过所述直角三角分束棱镜的斜面、直角面后 入射至其中一个渥拉斯顿棱镜，另一部分光被所述直角三角分束棱镜斜面的两个斜边依次 反射，再穿过直角三角分束棱镜的直角面、1/2波片后入射至另一个渥拉斯顿棱镜，渥拉斯 顿棱镜中的入射光在渥拉斯顿棱镜中双折射后出射；还包括有CCD探测器，所述CCD探测器 的靶面对准所述渥拉斯顿棱镜，接收分别从两个渥拉斯顿棱镜出射的双折射光。所述同时偏振成像探测系统的光学结构，其特征在于所述前置望远镜内靠近前 端的凸透镜组其相对孔径为F = 1/2. 5，焦距为f = 250mm。所述同时偏振成像探测系统的光学结构，其特征在于所述CCD探测器的靶面与 所述渥拉斯顿棱镜之间设置有凸透镜组。本技术中，使用一套光学系统和一个CXD探测器，通过一次测量即可同时获 取同一场景的四幅偏振辐射图像，进而通过计算获取Stokes矢量，来消除时序测量法和 空间匹配测量法中存在的问题。本技术包括前置望远镜、分偏振模块、偏振分析模块、 CCD探测器。其工作原理是目标辐射光首先被前置望远镜中靠近前端的凸透镜组会聚于 焦点，在焦点处放置视场光阑，光束经过光阑后，通过另一凸透镜组准直，光谱滤光片滤波， 变成两束平行光束，再经过分偏振模块，偏振分析模块后，成像于CCD探测器的靶面上。由 于在偏振分析模块其中一个渥拉斯顿棱镜与直角三角分束棱镜之间设置有1/2波片，因此 CCD探测器的靶面上接收到的两个渥拉斯顿棱镜的双折射光的偏振角相差45°。如图2中 所示，其中0°和90°的图像由没有二分之一波片那路光束的渥拉斯顿棱镜产生，45°和 135°的图像由有二分之一波片那路光束的渥拉斯顿棱镜产生。CCD探测器将光信号转换为 电信号。为了补偿光束分束后能量的降低，前置望远镜的主镜相对孔径为F= 1/2. 5，焦距 f = 250mmo本技术应用的优势在于(1)本技术无运动部件，结构紧凑，体积小，系统的可靠性和稳定性好；(2)本技术不受探测目标和系统自身相互运动以及外界环境 扰动的影响，偏振测量精度高，此方法可以用于弱偏振效应目标的探测，比如有些空间目标 距离非常遥远，其光度很微弱，光度学探测手段无法从空间上把它们分开，而偏振测量可以 解决这一问题；(3)本技术通过一次测量即可获取探测目标的偏振特性，探测速度快， 可以用于快速发生事件的观测，比如动态军事目标的探测；(4)本技术的特点和探测 方式决定了它在对地面和空间目标的探测过程中可消除大气扰动的影响。附图说明图1为本技术光路结构图。图2为本技术中CXD探测器所接收到的图像示意图。具体实施方式如图1、图2所示。同时偏振成像探测系统的光学结构，包括有接收目标辐射光的 前置望远镜1，前置望远镜1的前端为入光端，后端为出光端，光谱滤光片5设置在靠近前置望远镜1后端位置，前置望远镜内靠近前、后端分别设置有凸透镜组2、3，靠近后端的凸透镜组3与光谱滤波片5相对，靠近前端的凸透镜组2其相对孔径为F = 1/2. 5，焦距为f = 250mm。两凸透镜组2、3之间位于前置望远镜内前端凸透镜组2的焦点处设置有视场光阑 4，凸透镜组2、3、视场光阑4构成准直光路；前置望远镜1的光谱滤光片5外设置有分振幅 模块，分振幅模块包括直角三角分束棱镜8，直角三角分束棱镜6的斜面与前置望远镜后端 相对；靠近直角三角分束棱镜6光出射的直角面设置有偏振分析模块，偏振分析模块包括 两个立方体状的渥拉斯顿棱镜8、9，渥拉斯顿棱镜的一个镜面分别各自与直角三角分束棱 镜6光出射的直角面相对，为入光面，其中一个渥拉斯顿棱镜9与直角三角分束棱镜6光出 射的直角面之间还设置有1/2波片7，两个渥拉斯顿棱镜8、9与1/2波片7构成偏振分析模 块，目标的辐射光经过前置望远镜1准直光路准直后经过光谱滤波片滤波入射至直角三角 分束棱镜6，一部分光透射过直角三角分束棱镜6的斜面、直角面后入射至其中一个渥拉斯 顿棱镜8，另一部分光被直角三角分束棱镜6斜面的两个斜边依次反射，再穿过直角三角分 束棱镜6的直角面、1/2波片7后入射至另一个渥拉斯顿棱镜9，本文档来自技高网...

【技术保护点】
同时偏振成像探测系统的光学结构，包括有前置望远镜，其特征在于：所述前置望远镜前端为入光端，后端为出光端，有光谱滤光片设置在靠近所述前置望远镜的后端位置，所述前置望远镜内靠近前、后端分别设置有凸透镜组，靠近后端的凸透镜组与所述光谱滤波片相对，两凸透镜组之间位于所述靠近前端的凸透镜组的焦点处设置有视场光阑，所述凸透镜组、视场光阑构成准直光路；所述前置望远镜外设置有分振幅模块，所述分振幅模块包括直角三角分束棱镜，所述直角三角分束棱镜的斜面与所述前置望远镜内靠近后端的凸透镜组相对；靠近所述直角三角分束棱镜光出射的直角面设置有偏振分析模块，所述偏振分析模块包括两个立方体状的渥拉斯顿棱镜，所述渥拉斯顿棱镜的一个镜面分别各自与所述直角三角分束棱镜的光出射的直角面相对，为入光面，其中一个渥拉斯顿棱镜与所述直角三角分束棱镜光出射的直角面之间还设置有１／２波片，所述两个渥拉斯顿棱镜与１／２波片构成偏振分析模块，目标的辐射光经过前置望远镜中准直光路准直、光谱滤波片滤波后入射至所述直角三角分束棱镜，一部分光透射过所述直角三角分束棱镜的斜面、直角面后入射至其中一个渥拉斯顿棱镜，另一部分光被所述直角三角分束棱镜斜面的两个斜边依次反射，再穿过直角三角分束棱镜的直角面、１／２波片后入射至另一个渥拉斯顿棱镜，渥拉斯顿棱镜中的入射光在渥拉斯顿棱镜中双折射后出射；还包括有ＣＣＤ探测器，所述ＣＣＤ探测器的靶面对准所述渥拉斯顿棱镜，接收分别从两个渥拉斯顿棱镜出射的双折射光。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李双，裘桢炜，杨长久，
申请(专利权)人：中国科学院安徽光学精密机械研究所，
类型：实用新型
国别省市：34