一种折超红外偏振成像系统

技术领域

本发明涉及光学工程技术领域，特别是提供了一种折超红外偏振成像系统。

背景技术

在光学工程领域，红外镜头是一种由红外灯发出红外线照射物体，红外线漫反射，被监控摄像头接收，形成视频图像的镜头，红外镜头按照不同波长分类，包括短波红外镜头、中波红外消色差镜头和长波红外镜头等，均在各领域具有广泛的应用。

目前，传统的偏振成像镜头需要使用四通道，每个通道独立成像再结合相位延迟片得到不同偏振状态的图像，通过对所得到的四幅不同偏振状态的图像进行混合处理，得到的图像可以更清晰的体现出被测物体的细节，但是该方法系统笨拙臃肿。

专利CN219285489U提供了一种用于车辆的红外镜头和车辆，其红外镜头包括成像单元、光阑、第一镜片、第二镜片和第三镜片，所述成像单元上形成有成像面；所述光阑形成有透光孔，所述透光孔与所述成像面正对；所述第一镜片设置于所述光阑远离所述成像面的一侧；所述第二镜片设置于所述光阑与所述成像面之间；所述第三镜片设置于所述第二镜片与所述成像面之间；专利CN217443627U提供了一种焦距100mm紧凑型中波制冷红外镜头，包括沿光轴由物侧至像侧依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片，所述第一镜片为弯月型正屈光度镜片，第二镜片为弯月型负镜片，第三镜片为弯月型正屈光度镜片，第四镜片为弯月型负屈光度镜片，第五镜片为双凸正屈光度镜片。上述两个专利使用镜片数量较多，导致成本较高，系统较为复杂，且有的还使用了塑料镜片，整体性能将会受到影响。

专利CN114355596A公布了一种红外镜头，该镜头光学系统包括沿光线入射方向依次间隔设置的第一正镜片、第一负镜片和第二正镜片，其中所述第一正镜片和第一负镜片之间的空气间隔是47.87mm；所述的第一负镜片和第二正镜片之间的空气间隔是12mm；专利CN216927238U提供了一种长波红外镜头，，包括从物侧至像侧沿一光轴依次设置的第一镜片、光阑、第二镜片、第三镜片，所述第一镜片具正屈光度，所述第二镜片具负屈光度，所述第三镜片具正屈光度，且该镜头满足：BFL＞10mm，其中，BFL为该镜头的后焦。上述两个专利中红外镜头均为常规镜头。

专利CN116358837A提供了一种用于表征偏振成像系统光学传递矩阵，该装置包括非相干光源，在非相干光源出射光的光路上依次设置有滤波片、偏振片、偏振成像系统组件、四分之一波片、线偏振片和相机，其特征在于：所述偏振片与偏振成像系统组件之间设置有半平面，偏振片将入射光调制为六种偏振状态，所述六种偏振状态为：与x轴夹角为0°、90°、45°、135°的四种线偏振以及左旋圆偏振和右旋圆偏振。该发明需要通过不断调整偏振片与偏振成像系统组件的相对夹角来获得不同偏振态的图像信息，且系统较为复杂。

上述的几种红外镜头相关方案，使用镜片数量较多，系统较为复杂，需要通过不断调整偏振片与偏振成像系统组件的相对夹角来获得不同偏振态的图像信息，调节难度大，难以保障良好的成像效果，并且生产制造成本较高。

发明内容

基于此，本发明提供了一种折超红外偏振成像系统，以在保障成像效果的基础上，简化光学系统复杂程度，降低系统成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种折超红外偏振成像系统，包括一片常规镜片和一片超表面镜片；所述常规镜片、超表面镜片间隔设置于探测器前侧；外界反射光线依次经过所述常规镜片、超表面镜片传播，分四个区域在探测器的后侧表面汇聚，同时生成偏振相位延迟量为π/4的四幅偏振图像。

可选地，所述超表面镜片为中间面，超表面镜片及超表面镜片前为前段，其厚度为d1+d2+a1，超表面镜片后为后段，其长度为a2+d3，满足(d1+d2+a1)＜a2+d3＜2(d1+d2+a1)；其中，d1为常规镜片厚度，d2为超表面镜片厚度，d3为探测器厚度，a1为常规镜片距离超表面镜片间距，a2为超表面距离探测器间距。

进一步的，所述系统中的所有器件厚度和为d1+d2+d3，所有空气厚度和为a1+a2，满足(d1+d2+d3)＜a1+a2＜2(d1+d2+d3)，其中，d1为常规镜片厚度，d2为超表面镜片厚度，d3为探测器厚度，a1为常规镜片距离超表面镜片间距，a2为超表面距离探测器间距。

可选地，所述常规镜片和/或超表面镜片的材质包括硅、锗、硫化物、MgF2，BaF2的至少其中之一。

可选地，所述超表面镜片两侧为平面基底，靠近或远离像面一侧设置有二元微结构。

可选地，所述超表面镜片面型由如下的附加多项式展开式对光线累加相位差：

其中，N是级数中多项式系数的个数，A

可选地，所述常规镜片面型的偶次非球面表达式为：

上式中c＝1/r

可选地，所述常规镜片面型的XY多项式表达式为：

其中

可选地，所述常规镜片的面型的一维切比雪夫多项式为：

T

可选地，所述常规镜片的面型为通过使用系统的(x，y)基准形式，实现一个二维切比雪夫(Chebyshev)多项式的过渡：

t

本发明所提供的折超红外偏振成像系统，技术优势至少体现在：

第一方面，所提供的折超红外偏振成像系统，通过使用超表面镜片，使得系统仅使用一片常规镜片和一片超表面镜片，通过使用超表面镜片实现在单通道成像系统的条件下产生不同偏振状态的图像，将入射光线分成四个象限进行显示，每个象限偏振角度不同，实现了特殊环境下的红外成像，实现了较好的红外成像效果，极大的简化了光学系统的复杂程度。

第二方面，所提供的折超红外偏振成像系统属于二元光学元件，二元光学元件的色散与仅与波长有关，无论构成二元光学元件的材料的折射率如何，只要在同一波段内，就具有相同的色散能力，基于正光焦度的二元光学元件具有负色散的原理，采用正光焦度的折射元件和正光焦度的二元光学元件组成消色差系统，两元件的光焦度都得到减小，从而减少了单色像差，提高了成像质量。

第三方面，二元光学元件的阿贝数为负值，与传统玻璃的阿贝数符号相反，且其绝对值较传统玻璃更小，使得二元光学元件有较强的色散；同时由于二元光学元件能够附着在折射元件上，可减少系统镜片的数量，使整个混合系统的体积和重量减少，节省了用于红外光学系统的价格昂贵的透射材料，降低了成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在所提供的附图中：

图1为所提供折超红外偏振成像系统实施例的系统构成示意图。

图2为所提供的折超红外偏振成像系统的l ayout图。

图3为所提供的折超红外偏振成像系统的弥散斑尺寸图。

图4为所提供的折超红外偏振成像系统的波像差图。

图5为所提供的折超红外偏振成像系统的MTF图。

图6为所提供的超红外偏振成像系统的清晰度仿真图。

图7为所提供的折超红外偏振成像系统的成像光线经过超表面镜片后区在探测器上成像的光路图。

图8为探测器上四个区域的偏振显示图(相邻两个区间偏振像差π/4)。

图9为45°线偏振的相位分析结果示意图。

图10为45°线偏振的振幅分析结果示意图。

图11为45°线偏振的相位分布图。

图12为45°线偏振的透过率分布图。

图13为上述的四个图所分析的一定旋转角度的矩形体结构。

附图标识说明：

图中，101—为常规镜片，102—超表面镜片，103—探测器。

具体实施方式

在光学工程领域，红外镜头是一种由红外灯发出红外线照射物体，红外线漫反射，被监控摄像头接收，形成视频图像的镜头，目前，传统的偏振成像镜头需要使用四通道，每个通道独立成像再结合相位延迟片得到不同偏振状态的图像，通过对所得到的四幅不同偏振状态的图像进行混合处理，得到的图像可以更清晰的体现出被测物体的细节。但是，该方法系统笨拙臃肿，使用镜片数量较多，系统较为复杂，需要通过不断调整偏振片与偏振成像系统组件的相对夹角来获得不同偏振态的图像信息，调节难度大，难以保障良好的成像效果，并且生产制造成本较高。

本发明提供了一种折超红外偏振成像系统，包括一片常规镜片和一片超表面镜片；所述常规镜片、超表面镜片间隔设置于探测器前侧；外界反射光线依次经过所述常规镜片、超表面镜片传播，分四个区域在探测器的后侧表面汇聚，同时生成偏振相位延迟量为π/4的四幅偏振图像。所提供的折超红外偏振成像系统，通过使用超表面镜片，并且将入射光线分成四个象限进行显示，每个象限偏振角度不同，实现了特殊环境下的红外成像，实现了较好的红外成像效果，并简化了光学系统的复杂程度，不仅便于生产制造和调节，而且节省了用于红外光学系统的价格昂贵的透射材料。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

本发明所提供的一种折超红外偏振成像系统，包括一片常规镜片101和一片超表面镜片102；所述常规镜片101、超表面镜片102间隔设置于探测器102前侧；外界反射光线依次经过所述常规镜片101、超表面镜片102传播，分四个区域在探测器102的后侧表面汇聚，同时生成偏振相位延迟量为π/4的四幅偏振图像。其中，所述常规镜片101和/或超表面镜片102的材质包括硅、锗、硫化物、MgF2，BaF2的至少其中之一或者多种混合。

在优选的实施例中，所述超表面镜片102为中间面，超表面镜片102及超表面镜片102前为前段，所述前端厚度为d1+d2+a1，超表面镜片102后为后段，所述后端长度为a2+d3，满足d1+d2+a1＜a2+d3＜2d1+d2+a1；其中，d1为常规镜片101厚度，d2为超表面镜片102厚度，d3为探测器102厚度，a1为常规镜片101距离超表面镜片102间距，a2为超表面距离探测器102间距。

在优选的实施例中，所述系统的所有器件厚度和为d1+d2+d3，所有空气厚度和为a1+a2，满足d1+d2+d3＜a1+a2＜2d1+d2+d3，其中，d1为常规镜片101厚度，d2为超表面镜片102厚度，d3为探测器102厚度，a1为常规镜片101距离超表面镜片102间距，a2为超表面距离探测器102间距。

所提供的折超红外偏振成像系统，通过使用超表面镜片，使得系统仅使用一片常规镜片和一片超表面镜片，将入射光线分成四个象限进行显示，每个象限偏振角度不同，实现了特殊环境下的红外成像，实现了较好的红外成像效果，极大的简化了光学系统的复杂程度，，节省了用于红外光学系统的价格昂贵的透射材料，降低了成本。

以下为该实施例的具体内容。

如图1所示，该系统使用两片镜片，一片常规镜片101，一片超表面镜片102，其中，常规镜片101，材料为锗；超表面镜片102，材料为硅，使用分辨率为640*512，像素间距为12um的探测器，实现焦距为17mm，其工作波段为8.3-10.3um的红外波段。通过调节各镜片之间的距离，厚度，曲率等参数以及超表面镜片的参数等，该系统可实现良好的显示效果，同一时刻在探测器表面生成偏振相位延迟量为π/4的四幅偏振图像，且系统总长小于25mm。

上述第一镜片101厚度d1＝4mm，第二镜片102厚度d2＝1mm，探测器钢板厚度d3＝2.24mm，常规镜片距离超表面镜片空气间距a1＝8.72mm，超表面镜片距离探测器空气间距a2＝13.72mm。

以超表面为中间面，超表面镜片前为前段，其厚度为d1+d2+a1＝7.24mm，超表面后为后段，其长度为a2+d3＝7.42mm，上述指标满足(d1+d2+a1)＜a2+d3＜2(d1+d2+a1)；

上述系统中所有器件厚度和为d1+d2+d3＝7.24mm，所有空气厚度和为a1+a2＝13.9mm，上述指标满足(d1+d2+d3)＜a1+a2＜2(d1+d2+d3)。

下表1为该系统的参数：

表1所提供系统的系统参数

以镜片的左表面为S1面，右表面为S2面，该系统的参数如下表2所示：

表2所提供系统的普通镜片、超表面镜片和探测器参数

在优选的实施例中，所述的常规镜片的面型可为球面或偶次非球面、XY多项式、切比雪夫多项式等自由曲面面型，包括但不仅限于上述面型。

在一优选的实施例中，所述常规镜片101面型的XY多项式表达式：

其中

公式等号右边左半部分与偶次非球面表达式类似，右半部分为XY多项式描述的曲面，通常取十阶以内，即m+n≤10，N＝66，将它展开的表达式如下：

具体到本实施例，多项式具体参数如表3所示：

表3超表面镜片的多项式具体参数

在一些优选的实施例中，所述超表面镜片102两侧为平面基底，靠近或远离像面一侧设置有二元微结构。所述超表面镜片102面型为如下的附加多项式对光线累加相位差：

其中，N是级数中多项式系数的个数，A

表4附加多项式具体参数

在一优选的实施例中，所述常规镜片101面型的偶次非球面表达式：

其中，c＝1/r

进一步的，所述常规镜片101的面型的一维切比雪夫多项式为：

T

作为参考，前十个切比雪夫多项式系数如下：

T

T1(x)＝x

T

T

T

T

T

T

T

T

T

通过使用系统的(x，y)基准形式，实现一个二维切比雪夫(Chebyshev)多项式的过渡：

t

在实际设计中，X和Y的最大阶数设置为14，任何函数都可由切比雪夫多项式的有限和来表示：

在单位区间上定义了二维切比雪夫多项式的参数。为了使值的替换对任意区间有效，我们使用正规化的x/x0和y/y0作为多项式的参数。则切比雪夫多项式曲面z坐标为：

其中C是在表面顶点处的曲率半径x

在一优选的实施例中，所述常规镜片101的面型通过使用系统的x，y基准形式，实现一个二维切比雪夫(Chebyshev)多项式的过渡：

t

图2所示，外界反射光线经过第一镜片101后向前传播，再经过第二镜片102，102左表面为具有二元结构的特殊光学面，光线经过上述系统后在探测器103上聚焦，形成清晰的像，再被复现显示出来。图3为该光学系统的弥散斑尺寸图，小于两个显示尺寸；图4为该系统的波像差图，波像差均小于2个波长；图5为该系统的MTF图，≥0.2@20lp/mm；图6为该系统的清晰度仿真图；以上结果表明，所提供的红外镜头系统综合性能良好。

进一步的，图7为该系统的成像光线经过超表面镜片后区在探测器上成像的光路图。图8为探测器上四个区域的偏振显示图，相邻两个区间偏振像差π/4。图9为45°线偏振的相位分析结果，45°线偏振的横向和纵向相位差为0。图10为45°线偏振的振幅分析结果，45°线偏振的横向和纵向振幅差为0。图11为45°线偏振的相位分布图。通过上述各图表明，所提供的系统具有良好的成像效果。

图12为45°线偏振的透过率分布图。图13为上述的四个图所分析的一定旋转角度的矩形体结构，为上述的四个图所分析的一定旋转角度的矩形体结构，结构单元尺寸500nm，高度900nm，矩形尺寸300x90nm，旋转角度45°。

本发明通过对二元微结构面的使用，使系统产生的图像包含不同偏振状态的图像，在保证了光学系统成像质量的同时还极大的降低了系统的成本和重量，提升了整体的性能。所提供的折超红外偏振成像系统属于二元光学元件，二元光学元件的色散与仅与波长有关，无论构成二元光学元件的材料的折射率如何，只要在同一波段内，就具有相同的色散能力，基于正光焦度的二元光学元件具有负色散的原理，二元光学元件的阿贝数为负值，与传统玻璃的阿贝数符号相反，且其绝对值较传统玻璃更小，使得二元光学元件有较强的色散；采用正光焦度的折射元件和正光焦度的二元光学元件组成消色差系统，两元件的光焦度都得到减小，从而减少了单色像差，提高了成像质量，由于二元光学元件能够附着在折射元件上，可减少系统镜片的数量，使整个混合系统的体积和重量减少。

进一步的，现实生活中，“隐身涂层”、“隐身材料”等逐渐被发明和利用，其基本原理为吸收特定波长的光波，从而使探测器无法捕获到携带信息的光波，在显示设备上无法显示从而实现“隐身”效果。

所提供的系统的超表面基于衍射原理，在衬底上做出具有特殊二元结构的微观形貌的表面，超镜片是指一种使用了超表面的镜片。由于超镜片的原理特性决定了其色散可以与材料无关而与波长有关，通过合理的运用超镜片，可将光学系统中的色差的到很好的矫正，并且通过对超透镜参数的调整，在表现光线所有相位的同时能实现不同角度的偏振成像，通过对超表面镜片的使用，可以实现极大的提升光学系统的性能并且可以实现“反隐身”成像。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。上述附图及具体实施例仅用于说明本发明，本发明并不局限于此。在由本发明权利要求所限定的发明实质和范围内对本发明进行细微的改变均落在本发明的保护范围内。