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制冷型中波红外偏振成像光学系统设计

刘星洋 翟尚礼 李靖 汪洋 苗锋 杜瀚宇 邹超凡

刘星洋, 翟尚礼, 李靖, 汪洋, 苗锋, 杜瀚宇, 邹超凡. 制冷型中波红外偏振成像光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(2): 20200208. doi: 10.3788/IRLA20200208
引用本文: 刘星洋, 翟尚礼, 李靖, 汪洋, 苗锋, 杜瀚宇, 邹超凡. 制冷型中波红外偏振成像光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(2): 20200208. doi: 10.3788/IRLA20200208
Liu Xingyang, Zhai Shangli, Li Jing, Wang Yang, Miao Feng, Du Hanyu, Zou Chaofan. Design of cooled medium-wave infrared polarization imaging optical system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(2): 20200208. doi: 10.3788/IRLA20200208
Citation: Liu Xingyang, Zhai Shangli, Li Jing, Wang Yang, Miao Feng, Du Hanyu, Zou Chaofan. Design of cooled medium-wave infrared polarization imaging optical system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(2): 20200208. doi: 10.3788/IRLA20200208

制冷型中波红外偏振成像光学系统设计

doi: 10.3788/IRLA20200208
详细信息
    作者简介:

    刘星洋(1988−),男,博士。入选江苏省“双创博士”。研究方向为精密机械设计、红外光学系统设计以及红外传能光纤传输特性的研究,主要从事光电侦察/对抗设备的研制工作。Email:email_lxy@126.com

    翟尚礼(1972−),男,研究员,研究方向为系统设备、雷达数据录取设备及光电系统。主要从事雷达数据处理,红外预警侦察装备的总体论证工作。获得省部级一等奖2项,省部级二等奖1项

  • 中图分类号: TN219

Design of cooled medium-wave infrared polarization imaging optical system

  • 摘要: 除了具备作用距离远、可全天候工作、隐蔽性好等传统红外强度成像的优点外,基于目标与背景偏振特性差异的红外偏振成像技术能够有效减小背景干扰、抑制背景杂波、增强图像对比度、提高信噪比,应用前景广阔。为了有效抑制空中和海面目标探测过程的背景杂波干扰,增强雾、霾和烟尘以及小温差、低照度和复杂背景环境下的目标探测能力,采用分孔径同时偏振成像方式,完成了焦距为240 mm的四通道制冷型分孔径中波红外偏振成像光学系统的设计。利用蒙特卡洛法进行了公差分析,保证了光学系统加工和装调精度的合理性。像质分析结果表明,光学系统的MTF接近衍射极限,各类像差得到了有效校正,成像质量良好。通过冷反射分析验证了冷像对所设计制冷型红外光学系统成像质量的影响程度。此外,最终完成的光学系统结构紧凑,透过率高,避免了非球面的使用,具有良好的加工和装配工艺性。
  • 图  1  分孔径中波红外偏振成像光学系统初始结构示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of initial structure of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

    图  2  分孔径中波红外偏振成像光学系统二维布局图

    Figure  2.  2D layout of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

    图  3  分孔径中波红外偏振成像光学系统三维布局图

    Figure  3.  3D layout of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

    图  4  中波红外偏振成像光学系统入瞳处分孔径结果

    Figure  4.  Results of the pupil distribution in the medium-wave infrared polarization imaging optical system

    图  5  分孔径中波红外偏振成像光学系统单通道点列图

    Figure  5.  Spot diagram of single channel of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

    图  6  分孔径中波红外偏振成像光学系统单通道MTF图

    Figure  6.  MTF of single channel of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

    图  7  分孔径中波红外偏振成像光学系统单通道像差曲线

    Figure  7.  OPD of single channel of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

    图  8  公差分析统计结果

    Figure  8.  Statistical results of tolerance analysis

    图  9  冷反射光线追迹图

    Figure  9.  Schematic diagram of cold reflection ray-tracing

    表  1  偏振成像实现方式及特点

    Table  1.   Realization and characteristics of polarization imaging

    Imaging methodAdvantagesDisadvantages
    Time-sharing polarization imagingRotating polarizerSimple system structure; Low cost; Small energy
    loss; High spatial resolution
    Poor real-time performance; Poor
    reliability of moving parts
    Electrically tuned LCDSimple system structure; Small size; Easy to adjust;
    High spatial resolution
    Poor real-time performance; Large energy loss
    Simultaneous polarization imagingAmplitude sharingGood real-time performance;
    High spatial resolution
    Complex structure; High adjustment requirements;
    Big size; Large energy loss; High cost
    Aperture sharingGood real-time performance; Relatively
    low cost; Compact structure
    Relatively complex structure;
    Loss of spatial resolution
    Focal plane sharingGood real-time performance; Small size;
    Compact structure; High integration
    High adjustment requirements; Instantaneous field of
    view error; Loss of spatial resolution
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    表  2  光学系统性能参数

    Table  2.   Parameters of the designed optical system

    ParameterValue
    Wavelength/μm3.7-4.8
    Focal length/mm240
    F#6
    Field/(°)1.15×0.92
    Number of pixels320×256
    Pixel size/μm230×30
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    表  3  中波红外分孔径偏振成像光学系统比较

    Table  3.   Comparison of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

    Structure of polarization imaging optical systemNumber of optical elements per channelTransmittance estimation
    12 lenses 1 polarizer52.4%
    10 lenses 1 polarizer56.8%
    13 lenses 1 polarizer50.2%
    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%
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    表  4  公差分配表

    Table  4.   Tolerance limits

    SurfaceTolerance
    Test plate fit1-162
    Irregularity1-160.5
    Thickness/mm1-160.02
    Decenter/mm1-160.02
    Tilt/(″)1-430
    5-1640
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    表  5  冷反射分析结果

    Table  5.   Result of cold reflection analysis

    SurfaceClipping apertureYNI/mmI/IBAR
    113 (R)1.7263.85
    213 (R)−2.121.924
    313 (R)−2.2062.024
    413 (R)−0.6231.283
    513 (R)−0.3951.578
    613 (R)−0.3931.578
    713 (R)0.486−1.887
    813 (R)0.096−0.382
    913 (R)−0.954.703
    1013 (R)−0.4161.845
    1113 (R)−0.4712.253
    1213 (R)−0.9195.709
    1320 (R)0.1692.086
    1420 (F)0.043−0.249
    1520 (R)0.6932.647
    1620 (F)0.167−1.241
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-12
  • 修回日期:  2020-09-15
  • 网络出版日期:  2021-02-07
  • 刊出日期:  2021-02-25

制冷型中波红外偏振成像光学系统设计

doi: 10.3788/IRLA20200208
    作者简介:

    刘星洋(1988−),男,博士。入选江苏省“双创博士”。研究方向为精密机械设计、红外光学系统设计以及红外传能光纤传输特性的研究,主要从事光电侦察/对抗设备的研制工作。Email:email_lxy@126.com

    翟尚礼(1972−),男,研究员,研究方向为系统设备、雷达数据录取设备及光电系统。主要从事雷达数据处理,红外预警侦察装备的总体论证工作。获得省部级一等奖2项,省部级二等奖1项

  • 中图分类号: TN219

摘要: 除了具备作用距离远、可全天候工作、隐蔽性好等传统红外强度成像的优点外,基于目标与背景偏振特性差异的红外偏振成像技术能够有效减小背景干扰、抑制背景杂波、增强图像对比度、提高信噪比,应用前景广阔。为了有效抑制空中和海面目标探测过程的背景杂波干扰,增强雾、霾和烟尘以及小温差、低照度和复杂背景环境下的目标探测能力,采用分孔径同时偏振成像方式,完成了焦距为240 mm的四通道制冷型分孔径中波红外偏振成像光学系统的设计。利用蒙特卡洛法进行了公差分析,保证了光学系统加工和装调精度的合理性。像质分析结果表明,光学系统的MTF接近衍射极限,各类像差得到了有效校正,成像质量良好。通过冷反射分析验证了冷像对所设计制冷型红外光学系统成像质量的影响程度。此外,最终完成的光学系统结构紧凑,透过率高,避免了非球面的使用,具有良好的加工和装配工艺性。

English Abstract

    • 红外成像技术具有作用距离远、可全天候工作、隐蔽性好等优点,广泛应用于军事侦察、安防监控和导弹制导等领域。其中,红外偏振成像技术凭借其独有的优势,成为了当前研究的热点。相比于传统的红外强度成像,偏振成像技术能够显著增加探测获取目标的信息量,有效减小背景干扰,抑制背景杂波,增强图像对比度,提高信噪比[1-3]。这对于减小环境影响,提高红外成像系统对微小温差和低热对比度目标的探测识别能力具有重要作用。

      国外针对偏振成像技术的研究始于20世纪,1972年,J. D. Halajian等首次提出了偏振成像技术[4]。1992年B.Ben-Dor等对复杂地物环境的偏振特性进行了研究。2000年,美国空军实验室对多种标准涂料的偏振特性进行了研究。2003年,美国海军水面作战中心对水下物体的偏振特性进行了研究。2006年,美国Polarissensor公司开展了利用红外偏振成像进行海上搜救的效果评估实验,结果表明:相比于红外强度成像,红外偏振成像能够显著提高人、漂浮物与海面背景的对比度。2009年,以色列进行了雾霾天气条件下的偏振成像实验,结果表明:偏振成像能够消减或过滤雾霾等散射介质的作用,从而改善成像质量并增加作用距离。2011年,美国空军实验室AFRL在不同背景下针对小型遥控模型飞机进行了长波红外偏振成像实验,结果表明:杂乱背景下长波红外偏振成像能够提高信噪比,增强探测性能,降低虚警率[5]。随着研究的不断深入,国外出现了许多相关成熟产品。Polaris是专门从事偏振成像设备研制的公司,其产品已经全面覆盖了可见光、近红外、中波红外和长波红外波段。

      国内在偏振成像领域起步相对较晚。2006年,西北工业大学的都安平等搭建了偏振成像探测系统,对偏振成像探测性能进行了验证,并对相关图像融合算法进行了研究。2007年,中国科学院安徽光学精密机械研究所的汪震等利用研发的热红外偏振成像仪对地物背景中的金属目标板等进行了偏振成像探测实验。2010年,北京理工大学的陈伟力等搭建了中波偏振成像实验平台,对典型场景和目标进行了偏振成像和图像融合再现实验。2014年,浙江大学的周强等对偏振成像的图像预处理和图像融合等进行了研究,并搭建实验平台对融合效果进行了验证。2016年,北京理工大学的王霞等利用自主研发的长波红外偏振成像系统对天空中的飞机、海面上的船只和草地上的车辆等典型目标进行了偏振成像研究[6]。2017年,中国工程物理研究院的王海峰等利用自主开发的高精度液晶偏振控制器研制了小型机载偏振成像系统[7]。2018年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的王琪等设计了一种焦距为200 mm的分孔径红外偏振成像光学系统[8];2019年,该研究所的张哲等基于分时偏振成像方式,实现了25 帧/s的准实时偏振成像[9]

      为了有效抑制空中和海面目标探测过程的背景杂波干扰,增强雾、霾、烟尘以及小温差、低照度和复杂背景环境下的目标探测能力,从而提升中等作用距离红外探测性能,文中针对偏振成像的相关理论和实现方式进行了讨论,完成了一种结构简单紧凑、透过率高的分孔径红外偏振成像光学系统的设计,并对所设计光学系统的成像质量进行了分析。

    • 用于描述光波偏振态的方法主要包括Jones矢量表示法和Stokes矢量表示法。相比于Jones矢量表示法,Stokes矢量表示法中各参量具有强度量纲,可以直接被探测器探测,且由Stokes矢量运算的穆勒矩阵元素均为实数,有不少元素为零,运算也较简单[10-12]。利用Stokes矢量描述光波偏振态的表达式如下:

      $$S = \left[ \begin{array}{l} I \\ Q \\ U \\ V \\ \end{array} \right]$$ (1)

      式中:I与入射光强有关;Q与水平线偏振光强有关;U与45°线偏振光强有关;而V与圆偏振光强有关。结合关系式${I^2} = {Q^2} + {U^2} + {V^2}$,在Stokes矢量计算中通常只求取前三个参数IQU即可[13, 14],它们可以通过下式2测量得到:

      $$S = \left[ \begin{array}{l} I \\ Q \\ U \\ \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{l} {g_0} + {g_{90}} \\ {g_0} - {g_{90}} \\ {g_{45}} - {g_{135}} \\ \end{array} \right]$$ (2)

      式中:gθ表示偏振片旋转θ时的偏振态图像。

      则用于表征偏振特性的参数分别为:

      $$\left\{ \begin{array}{l} p = \dfrac{{\sqrt {{Q^2} + {U^2}} }}{I} \\ \alpha = \dfrac{1}{2}\arctan \left( {\dfrac{U}{Q}} \right) \\ \end{array} \right.$$ (3)

      式中:p为偏振度;α为偏振角。

    • 偏振成像主要实现方式及其特点如表1所示[15]

      表 1  偏振成像实现方式及特点

      Table 1.  Realization and characteristics of polarization imaging

      Imaging methodAdvantagesDisadvantages
      Time-sharing polarization imagingRotating polarizerSimple system structure; Low cost; Small energy
      loss; High spatial resolution
      Poor real-time performance; Poor
      reliability of moving parts
      Electrically tuned LCDSimple system structure; Small size; Easy to adjust;
      High spatial resolution
      Poor real-time performance; Large energy loss
      Simultaneous polarization imagingAmplitude sharingGood real-time performance;
      High spatial resolution
      Complex structure; High adjustment requirements;
      Big size; Large energy loss; High cost
      Aperture sharingGood real-time performance; Relatively
      low cost; Compact structure
      Relatively complex structure;
      Loss of spatial resolution
      Focal plane sharingGood real-time performance; Small size;
      Compact structure; High integration
      High adjustment requirements; Instantaneous field of
      view error; Loss of spatial resolution

      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。

    • 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。

      表 2  光学系统性能参数

      Table 2.  Parameters of the designed optical system

      ParameterValue
      Wavelength/μm3.7-4.8
      Focal length/mm240
      F#6
      Field/(°)1.15×0.92
      Number of pixels320×256
      Pixel size/μm230×30

      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。

      表 3  中波红外分孔径偏振成像光学系统比较

      Table 3.  Comparison of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

      Structure of polarization imaging optical systemNumber of optical elements per channelTransmittance estimation
      12 lenses 1 polarizer52.4%
      10 lenses 1 polarizer56.8%
      13 lenses 1 polarizer50.2%
      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%

      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。

      图  1  分孔径中波红外偏振成像光学系统初始结构示意图

      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:

      $$l'_1 = {f_1}$$ (4)
      $${l_2} = l'_1 - {d_1}$$ (5)
      $$\frac{1}{{{f_2}}} = \frac{1}{{l'_2}} - \frac{1}{{{l_2}}}$$ (6)
      $${d_2} = l'_2 - {l_3}$$ (7)
      $$\frac{1}{{{f_3}}} = \frac{1}{{l'_3}} - \frac{1}{{{l_3}}}$$ (8)
      $${f_{\rm I}} = \dfrac{{{f_1} \cdot {f_2}}}{{{f_1} + {f_2} - {d_1}}}$$ (9)
      $$f = {f_{\rm I}} \cdot \dfrac{{l'_3}}{{{l_3}}}$$ (10)

      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。

      图  2  分孔径中波红外偏振成像光学系统二维布局图

      Figure 2.  2D layout of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

      分孔径偏振成像光学系统的三维模型如图3所示。

      图  3  分孔径中波红外偏振成像光学系统三维布局图

      Figure 3.  3D layout of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

      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。

      图  4  中波红外偏振成像光学系统入瞳处分孔径结果

      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XY两个方向进行了分析。

      图  5  分孔径中波红外偏振成像光学系统单通道点列图

      Figure 5.  Spot diagram of single channel of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

      图  6  分孔径中波红外偏振成像光学系统单通道MTF图

      Figure 6.  MTF of single channel of aperture sharing medium-wave infrared polarization imaging optical system

      图  7  分孔径中波红外偏振成像光学系统单通道像差曲线

      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。

      表 4  公差分配表

      Table 4.  Tolerance limits

      SurfaceTolerance
      Test plate fit1-162
      Irregularity1-160.5
      Thickness/mm1-160.02
      Decenter/mm1-160.02
      Tilt/(″)1-430
      5-1640

      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。

      图  8  公差分析统计结果

      Figure 8.  Statistical results of tolerance analysis

      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。

      表 5  冷反射分析结果

      Table 5.  Result of cold reflection analysis

      SurfaceClipping apertureYNI/mmI/IBAR
      113 (R)1.7263.85
      213 (R)−2.121.924
      313 (R)−2.2062.024
      413 (R)−0.6231.283
      513 (R)−0.3951.578
      613 (R)−0.3931.578
      713 (R)0.486−1.887
      813 (R)0.096−0.382
      913 (R)−0.954.703
      1013 (R)−0.4161.845
      1113 (R)−0.4712.253
      1213 (R)−0.9195.709
      1320 (R)0.1692.086
      1420 (F)0.043−0.249
      1520 (R)0.6932.647
      1620 (F)0.167−1.241

      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。

      图  9  冷反射光线追迹图

      Figure 9.  Schematic diagram of cold reflection ray-tracing

      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。

    • 与传统红外强度成像相比,基于目标与背景偏振特性差异的红外偏振成像技术能够有效减小背景干扰、增强图像对比度、提高信噪比,在空间目标态势感知、海面目标监测、雾、霾和烟尘以及小温差、低照度和复杂背景环境下目标探测等领域优势明显。通过对各种偏振成像方式的分析和比较,同时兼顾技术可行性和偏振成像探测性能,文中采用了分孔径同时偏振成像方式,完成了基于Stokes矢量表示法的焦距为240 mm的分孔径中波红外偏振成像光学系统的设计。

      所设计分孔径中波红外偏振成像光学系统具有以下优点:(1) 结构简单紧凑,系统透过率高,体积与同规格的常规红外成像光学系统接近;(2) 设计过程没有使用非球面,降低了镜片加工难度和成本;(3) 光学设计过程中限制了各个透镜的中心厚度和边缘厚度,保证了透镜具有良好的加工和装配工艺性;(4) 通过合理的光学设计,消除了偏心分孔径阵列组带来的额外像差,保证了整个光学系统具有良好的成像质量。

参考文献 (15)

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