双分离渥拉斯顿棱镜高分辨力同时偏振成像系统设计-终稿

双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统设计基金项目：863计划项目（基金项目：863计划项目（2014AA7031068A）资助课题，国家自然科学基金重点项目(61231014)资助课题作者简介：刘敬（1986-），女，河北，博士生，主要从事偏振成像、光电图像处理方面的研究。Email:bitliujing@163.com导师简介：金伟其（1961-），男，上海，教授，博导，主要从事光电图像处理、夜视与红外技术、光电检测与仪器等方面的研究。Email：jinwq@刘敬金伟其通信联系人：金伟其，通信联系人：金伟其，Email：jinwq@(北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京100081)摘要：为了实现对动态目标场景的偏振成像，设计了双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统。该系统将分振幅与分孔径相结合，在两个探测器上同时获得四幅偏振分量图像，实现动态场景的偏振成像。本文在简述系统设计原理的基础上，重点介绍系统光学系统、核心器件以及系统光机结构的设计，并分析系统的偏振成像实验。实验结果表明：系统偏振分光性能较好，四幅8bit偏振消光图像的残留灰度均在15以下；外触发信号同步控制透射和反射光路，系统最高帧频可达90Hz，在帧频为25Hz时同步采集了动态场景的偏振图像，并分析了场景的偏振度和偏振方位角信息，实现了动态场景的偏振成像；系统能够对最近成像距离以外的任意距离的目标清晰成像，系统分辨率达到76.9cyc/mrad。文章最后指出仍需要在系统辐射和偏振定标等方面开展研究，进一步完善系统性能指标。关键词：成像系统、同时偏振成像、渥拉斯顿棱镜、成像系统设计中图分类号：TN202;O439文献标识码：ADesignofSimultaneousImagingPolarimetrywithDoubleSeparateWollastonPrismJingLiu,WeiqiJin,YahuiWang,XiaWang(MOEKeyLaboratoryofOptoelectronicImagingTechnologyandSystem，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China)Abstract：Inordertorealizepolarizationimagingofdynamicscene,asimultaneousimagingpolarimetrywithdoubleseparateWollastonprismisdesigned.Thissystemisacombinationofdivision-of-amplitudeanddivision-of-aperture,whichcanachievefourpolarizationimagessimultaneouslyontwodetectorssynchronizedbyexternaltrigger.Thispaperfirstbrieflyillustratestheprincipleofthesystem,andthenemphasesareputondesignofopticalsystem,choiceofcoredevicesandopto-mechinaldesign.Polarizationimagessampledwiththissystemshowthat:systemperformanceonpolarizationsplittingiswell,andtheresidualgraylevelofpolarizationextinctionimageisunder15witha8bitdetector;themaximumframeratecanreaches90Hzwithexternaltrigger,andpolarizationimageofdynamicscenehasbeensampledat25Hz;thesystemcanfocusonanydistancelargerthanthenearestimagedistance,andsystemresolutionreaches76.9cyc/mrad.Finally,articleconcludsthatresearchisstillneededinradiationandpolarizationcalibrationtofurtherimprovethesystemperformance.Keywords：Imagingsystem,Simultaneousimagingpolarimetry,Wollastonprism,Opto-mechanicaldesignOCIS:110.2970;110.5405;120.54101.引言2.偏振成像原理介绍斯托克斯矢量S是描述光偏振态的4×1矢量(1)其中，I表示光强；Q和U分别表示线偏振分量，V表示圆偏振分量。光学元件对光偏振态的改变可用4×4的穆勒矩阵描述(2)其中，Sin表示入射光的斯托克斯矢量，Sout表示出射光的斯托克斯矢量，M表示光学元件的穆勒矩阵。由于通常光电成像器件是能量积分器件，只对入射辐射的总光强敏感，因此，光电成像探测器的输出图像灰度与入射辐射的偏振态满足(3)其中，Iout为出射光斯托克斯矢量Sout的第一个分量。对于四偏振态同时偏振成像系统，入射光的斯托克斯矢量和同时偏振成像系统四路输出图像之间的关系为(4)其中，Mins称为偏振成像系统的仪器矩阵(5)图1SIP-DSWP原理图Fig.1DiagramofSIP-DSWP1/2波片的穆勒矩阵为(6)其中，θ为快轴方位角。图2渥拉斯顿棱镜的分光原理Fig.2DiagramofWPforpolarizationbeamsplitting渥拉斯顿棱镜的分光原理如图2所示[18]，入射光被分为偏振态正交、振动方向分别平行和垂直于入射面并以特定夹角出射的两路光，用透光轴在0°和90°方向线偏振片的穆勒矩阵描述为(7)(8)根据式(2)-(8)得到系统的仪器矩阵(9)仪器矩阵的前三列不全为零，可完全探测场景辐射的线偏振信息；但第四列全为零，故不能探测圆偏振信息。3.偏振成像系统设计与器件选型SIP-DSWP轴外光路如图3所示，其中aw×ah为视场光阑的尺寸；f1、f2、f3分别为镜头1、镜头2、镜头3的焦距；d1、d2、d3分别为消偏振分光棱镜、1/2波片、渥拉斯顿棱镜到镜头2(主平面)的距离；h1、h2、h3分别为消偏振分光棱镜、1/2波片、渥拉斯顿棱镜的半口径；ω1、ω2分别为透镜3和透镜1的物方半视场；2h为像面高度（或像面宽度）。图3SIP-DSWP轴外光路图(=1\*GB3①探测器，=2\*GB3②镜头1，=3\*GB3③渥拉斯顿棱镜，=4\*GB3④半波片，=5\*GB3⑤消偏振分光棱镜，=6\*GB3⑥镜头2，=7\*GB3⑦视场光阑，=8\*GB3⑧镜头3)Fig.3OpticalpathdiagramofSIP-DSWP(=1\*GB3①detector,=2\*GB3②lens1,=3\*GB3③Wollastonprism,=4\*GB3④halfwaveplate,=5\*GB3⑤depolarizationbeamsplittingprism,=6\*GB3⑥lens2,=7\*GB3⑦fieldaperture,=8\*GB3⑧lens3)根据望远成像系统的成像关系，有(10)若选取f1=f2，则中继透镜构成11的平移成像，成像像面的半高度h与透镜1满足(11)即成像宽度等于视场光阑的宽度2h=aw，同理像高等于视场光阑的高度，成像面尺寸等于视场光阑。如图4所示为渥拉斯顿棱镜分光图，在探测器宽度方向，两幅子图像的中心位置不在探测器的物理中心Od，而是分别向两侧各偏移l位移(12)图4渥拉斯顿棱镜分光与子光路成像Fig.4Wollastonprismbeamsplittingandfocusingofsubpath图5图4渥拉斯顿棱镜分光与子光路成像Fig.4Wollastonprismbeamsplittingandfocusingofsubpath图5视场光阑和探测器光敏区域的关系Fig.5Relationbetweenfieldapertureandsizeofdetector(13)其中，A、B分别为探测器光敏面的宽度和高度，aw和ah分别为视场光阑的宽度和高度。由图5可知，取l=A/4=6.784/4mm=1.6960mm为最佳方案，对应镜头1的焦距f1=38.8448mm。表1渥拉斯顿棱镜分光角度ω、焦距f1和视场偏移lTable1Possibleoflwhenωandf1arechosenl/mmf1=5f1=16f1=25f1=35f1=50f1=75ω=5°0.21830.69861.09151.52812.18303.2746ω=10°0.43741.39982.18723.06214.37446.5616ω=15°0.65832.10643.29134.60786.58269.8739ω=20°0.88162.82124.40826.17148.816313.2245视场光阑图6设计的两种视场光阑Fig.6Fieldaperture表2渥拉斯顿棱镜分光角度ω、焦距f1和光学元件口径Table2Relationshipamongω,f1anddiameterh1,h2andh32h12h22h3ω=5°，f1=35mm6.90mm8.47mm12.89mmω=15°，f1=12mm26.24mm33.72mm43.70mm表3元件型号及参数Table3Parametersofopticalelements元件参数视场光阑2.9mm×2.9mm消偏振分光棱镜25.4mm×25.4mm×25.4mm1/2波片石英多级波片,Φ25.4mm渥拉斯顿棱镜16mm×18mm×18mm,ω=5°镜头1/2f=35mm，C–mount滤光片Φ25.4mm,中心波长偏差532nm±2nm半带宽10nm±2nm镜头3根据测量需要选择不同焦距图7SIP-DSWP图7SIP-DSWP的“渐晕”Fig.7VignettingofSIP-DSWP图8SIP-DSWP结构设计和原理样机Fig.8Optical-mechanicalprototypeofSIP-DSWP4.偏振成像实验及其分析我们设计了偏振成像实验，以分析偏振分光特性、动态场景偏振成像性能等系统特性。4.1偏振分光特性分析图9起偏线偏振片在0,45,90,135度方向的场景图像Fig.9Polariztionimageswithpolarizerat0/45/90/135degree图10系统偏振分光特性分析Fig.10Polarizationcharacteristicanalysisofthesystem4.2动态场景偏振成像图11动态场景的偏振图像Fig.11Polarizationimagesofdynamicscene(a)0°(b)45°(c)90°(d)135°图12分割、配准后的偏振图像Fig.12Polarizationimagesaftersegmentationandregistration(a)ImageofDoLP(b)ImageofAoP图13动态场景的偏振度和偏振角Fig.13DOLPandAoPofdynamicscene4.3系统几何参数分析Tran.Tran.Tran.Tran.Tran.Tran.ReflReflReflReflReflRefl(a)objectdistanceof0.75m(b)objectdistanceof9m(c)objectdistanceof21m图14三种距离上的偏振图像（f3=50mm）Fig.14Polarzationimages(f3=50mm)5.结论为了适应动态场景偏振成像系统的应用需求，针对传统四探测器分光路偏振成像方式体积重量大、成像存在视差，传统四探测器共光路分振幅偏振成像方式能量利用率低、体积重量大，单一探测器面分孔径偏振成像方式分辨力低、光学系统复杂等问题，我们研究提出了一种共光路分振幅和分孔径结合的双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像方法，可在两个探测器上同时获得场景的4幅不同偏振分量图像。本文论述了系统设计和核心器件选型方法，研制了双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统，并进行了系统分析以及实验验证。结果表明：系统具有偏振分光效果好、分辨率高、模块化设计等特点；在8bit的偏振消光图像中残留灰度在15以下；能够实现动态场景的偏振成像，成像帧频最高可达90Hz；实测系统分辨率达到76.9cyc/mrad。[]TanSongxin,NarayananRamM.Designandperformanceofamultiwavelengthairbornepolarimetriclidarforvegetationremotesensing[J].AppliedOptics.2004,43:2675-2677.[2]JohnS.Harchanko,DavidB.Chenault.Water-surfaceobjectdetectionandclassificationusingimagingpolarimetry[C].Proc.ofSPIE.2005,6240:5888151-7.[3][4]MatthewH.Smith,PaulBurke,ArthurLompado,etal.Muellermatriximagingpolarimetryindermatology[C].Proc.ofSPIE.2000,3911:210-216.[5][6]JohnsonJ.L.Infraredpolarizationsignaturefeasibilitytests,Reps.TR-EO-74-1andADC00113(U.S.ArmyMobilityEquipmentResearchandDevelopmentCenter,1974.)[7]RoyM.Matchko,GrantR.Gerhart.High-speedimagingchopperpolarimetry[J].OpticalEngineering.2008,47(1):016001-12.[8]J.ScottTyo,DennisL.Goldstein,DavidB.Chenault,etal.Reviewofpassiveimagingpolarimetryforremotesensing[J].AppliedOptics.2006,45(22):5453-5469.[9]LucGendre,AlbanFoulonneau,LaurentBigué.Imaginglinearpolarimetryusingasingleferroelectricliquidcrystalmodulator[J].AppliedOptics.2010,49(25):4687-4699.[10]GarlickF.J.Differentialopticalpolarizationdetectors[P].1976,U.S.patent3992571.[1][2]J.LarryPezzaniti,DavidB.Chenault.Adivisionof