賈春輝，高 明, 楊書寧

(1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安710021；2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

引言

在光照環(huán)境極其微弱的情況下，光電設(shè)備對目標(biāo)的偵查能力受到空間、時間光譜及靈敏度等因素的限制導(dǎo)致目標(biāo)與背景對比度降低，成像質(zhì)量下降而無法完成偵查探測任務(wù)。如何改進(jìn)微光成像光學(xué)系統(tǒng)，加強(qiáng)其探測能力和提升成像質(zhì)量，依然是一個備受關(guān)注的研究方向[11]。偏振成像技術(shù)可以探測目標(biāo)表面的偏振信息，因此可以提高光電設(shè)備在相同場景下對目標(biāo)的探測能力[12，15]。最初，偏振成像系統(tǒng)多為分時型，在采集目標(biāo)時，需要多次成像，系統(tǒng)引起的誤差較大，虛假偏振信息過多。為了能夠同時獲取動態(tài)場景全部偏振信息，實(shí)時成像系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，解決了分時系統(tǒng)存在的問題。Taylor等人[1]最早設(shè)計(jì)了一套微光電視光學(xué)系統(tǒng)，完成了在空域和時域?qū)ζ駪B(tài)的測量；Sean Moultrie等人[2]基于孔徑分割技術(shù)，結(jié)合尼康變焦鏡頭，設(shè)計(jì)了子孔徑成像鏡頭組，組合實(shí)現(xiàn)了可用于微光條件下的可見光偏振成像系統(tǒng),雖然實(shí)現(xiàn)了實(shí)時偏振成像，但鏡頭并不是完全匹配微光設(shè)計(jì)，光譜范圍未涵蓋微光波段，鏡頭成像分辨率低。2014年，陳振躍等[8]研究了基于高靈敏度CCD的孔徑分割偏振成像系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明能夠提高成像對比度，但系統(tǒng)同樣是結(jié)合已有變焦鏡頭，僅設(shè)計(jì)子通道成像鏡頭并配以激光輔助照明，缺點(diǎn)是光譜范圍太窄且屬于主動夜視。2015年，茹志兵等[6]設(shè)計(jì)了基于三代像增強(qiáng)器和高動態(tài)范圍數(shù)字CCD的分時偏振成像的微光成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)大口徑成像物鏡和中繼光學(xué)耦合透鏡,存在的問題是系統(tǒng)為分時成像系統(tǒng)，且利用三代像增強(qiáng)器，系統(tǒng)整體笨重，偏振探測靈敏度低。近年國外研制出分焦平面的偏振傳感器[5,13]，單個像元對應(yīng)單個偏振通道，3～4個像元及微偏振片組成一個偏振成像單元，成像效率高，但目前這種技術(shù)對器件加工工藝水平要求較高。

綜上所述，根據(jù)已有報(bào)道,在微光偏振成像領(lǐng)域，國內(nèi)完全自主設(shè)計(jì)的微光偏振實(shí)時成像光學(xué)系統(tǒng)較少。本文基于孔徑分割技術(shù)[7]，設(shè)計(jì)了共口徑四通道微光偏振實(shí)時成像光學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在最低照度1×10-3lx環(huán)境下實(shí)時偏振成像。

1 偏振成像系統(tǒng)原理

設(shè)計(jì)共口徑四通道微光偏振實(shí)時成像光學(xué)系統(tǒng)，其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 共口徑四通道微光偏振實(shí)時成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Common-aperture four-channel LLL polarization real-time imaging system structure

通過將同軸微光光學(xué)系統(tǒng)在光闌處進(jìn)行離軸化，使整個光學(xué)系統(tǒng)形成4個獨(dú)立的成像通道，結(jié)合偏振成像原理，通過放置4個完全相同的成像透鏡組，并在成像光路中放置4個起偏狀態(tài)不同(0°、45°、90°、135°)的線偏振片進(jìn)行偏振成像，通過每個成像通道實(shí)時獲取同一目標(biāo)不同偏振方向的強(qiáng)度圖像。

偏振信息可用Stokes矢量描述，Stokes矢量用4個具有強(qiáng)度量綱的參量來表征偏振狀態(tài)[13]，且可被探測器直接探測，其形式為

(1)

式中：I表示成像系統(tǒng)接受到的光波總強(qiáng)度；Q表示水平、垂直2個偏振方向的強(qiáng)度差；U表示2個對角線方向的強(qiáng)度差；V表示左、右旋圓偏振分量的強(qiáng)度差。確定了光束的Stokes矢量之后，偏振度(degree of polarization，DoP)和偏振角(angle of polarization，AoP)可由式(2)計(jì)算得到：

(2)

當(dāng)V=0時，偏振度退化成線偏振度(degree of linear polarization，DoLP)為

(3)

光學(xué)元件或系統(tǒng)對入射斯托克斯向量的影響可以用4×4穆勒矩陣來描述，其定義如下：

(4)

入射光學(xué)系統(tǒng)的入射輻射量可用斯托克斯矢量Si=[IiQiUiVi]T表示，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的出射輻射量可以用斯托克斯矢量So=[IoQoUoVo]T表示。兩者直接可以通過穆勒矩陣建立連接，即：

So=M·Si

(5)

則成像設(shè)備接收到的強(qiáng)度為

I=M11Ii+M12Qi+M13Ui+M14Vi

(6)

通過4次改變成像系統(tǒng)的偏振狀態(tài)，可得到類似于公式(6)的4個公式。它們中的任意2個彼此獨(dú)立，則可以從4個強(qiáng)度方程計(jì)算斯托克斯參數(shù)。一般情況下，自然大氣背景及目標(biāo)物對太陽入射的偏振效應(yīng)中，圓偏振分量極少，故V=0，除V之外所有的斯托克斯參數(shù)可以從3個強(qiáng)度方程中計(jì)算出來。

對于多個通道實(shí)時偏振成像來講，探測成像示意圖如圖2所示。

圖2 多通道實(shí)時成像系統(tǒng)Fig.2 Multi-channel real-time imaging system

圖2中FP為分割的視場通道，L為成像透鏡組，M表示偏振組件、FPA表示面陣探測器焦面，DoAPi表示分孔徑通道。由于橫向2個通道視圖中重疊，因此圖2中用3個通道來代替顯示。則探測偏振強(qiáng)度可寫成

(7)

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微光條件下，為了使光電設(shè)備得到高質(zhì)量的強(qiáng)度圖像，要求所使用的探測器必須具有高靈敏度、高動態(tài)范圍以及高增益。同時，由于分孔徑成像通過分割探測器靶面的方式會帶來分辨率損失問題，因此需選擇高分辨率大靶面探測器來提供大的成像分辨率，以保證單通道成像分辨率。

微光機(jī)芯采用國產(chǎn)化CIS2003芯片，能夠在星光條件下(1×10-3lx)連續(xù)輸出清晰真彩色1 080 pixel全高清圖像，適應(yīng)實(shí)時觀察及低照度的應(yīng)用需求，由于芯片成像靶面不含有微透鏡陣列，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不需要實(shí)現(xiàn)光路遠(yuǎn)心要求。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

系統(tǒng)工作環(huán)境最低照度為1×10-3lx，F(xiàn)數(shù)為1.2，中心波長為0.6 μm，另根據(jù)所選擇的探測器及相關(guān)要求最終確定所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 System design parameters

探測器的奈奎斯特頻率Nn的計(jì)算方法為

(8)

通過上式計(jì)算，結(jié)合微光探測特性，同時為保證分孔徑后單個成像通道分辨率，取40 lp/mm作為評價光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的最大參考空間截止頻率值。

根據(jù)選擇的CCD探測器橫縱像元數(shù)及單個像元尺寸，可得到光學(xué)系統(tǒng)對角線尺寸為

(9)

式中：M、N分別表示探測器的橫、縱像素?cái)?shù)。探測器像元數(shù)為1 920 H×1 080 V pixel，像元大小為13 μm，由公式(6)可計(jì)算出像面對角線約為28.63 mm。

系統(tǒng)由4個完全相同的分孔徑成像鏡組成像于探測器靶面，根據(jù)靶面大小對CCD進(jìn)行四象限分割，探測器靶面分割及子孔徑示意圖如圖3所示。故單個偏振通道成像所占用CCD外接圓的對角線尺寸約為14.315 mm。

圖3 CCD及孔徑分割示意圖Fig.3 Diagrams CCD and aperture division segmentation

2.2 初始結(jié)構(gòu)搭建

為擴(kuò)大系統(tǒng)相對孔徑，在雙高斯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加兩片透鏡搭建同軸偏振成像系統(tǒng)，得到初始結(jié)構(gòu)如圖4所示,系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

圖4 同軸系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)Fig.4 Initial structure of coaxial system

透鏡序號物距l(xiāng)/mm像距l(xiāng)′/mm光焦度φ第1透鏡-120.179 140102.696 7770.008 581第2透鏡-73.894 09563.438 3090.013 409第3透鏡35.527 512-32.845 421-0.030 539第4透鏡37.433 792-37.245 051-0.027 925第5透鏡-38.743 02335.426 0710.023 144第6透鏡234.072 358-216.712 40-0.004 471第7透鏡-55.746 44055.837 4410.016 247第8透鏡-532.191 340371.169 2840.002 226

為實(shí)現(xiàn)孔徑分割同時保證系統(tǒng)整體體積相對較小，通過向后移動光闌位置到第6透鏡前面，初步離軸光闌面設(shè)置并簡單優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到共口徑偏振成像單通道光學(xué)初始結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)單通道初始結(jié)構(gòu)Fig.5 Diagram of initial structure of system

共口徑部分由一片單透鏡及2個雙膠合透鏡組成，子孔徑成像組由3個單透鏡組成。表3給出光學(xué)系統(tǒng)單通道初始結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)初級像差，由表可得初始結(jié)構(gòu)球差、彗差、像散均較大，其他初級像在0.01左右，系統(tǒng)需進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)。

表3 初始結(jié)構(gòu)初級像差Table 3 Primary aberrations of initial structure

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

系統(tǒng)由前置共口徑物鏡組，孔徑分割成像鏡頭組及后置偏振組件構(gòu)成。設(shè)計(jì)得到具體的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖6所示，四通道渲染光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 微光實(shí)時偏振光學(xué)系統(tǒng)Fig.6 LLL real-time polarization optical system

圖7 光學(xué)系統(tǒng)渲染圖Fig.7 Optical system rendering

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單個成像通道設(shè)計(jì)指標(biāo)為像高14 mm，系統(tǒng)焦距100 mm，4個通道除偏振組件外透鏡各參數(shù)完全一致，成像引入的差異最小，保證后續(xù)信息處理及圖像處理階段的方便、快速性等特點(diǎn)。得到的單個通道凝視視場像高大小如表4所示。

表4 各通道凝視視場像高Table 4 Image height in gaze field of each channel

由于系統(tǒng)存在一定量的光學(xué)畸變，實(shí)際像高小于14 mm，各個通道像高大小與設(shè)計(jì)值最大差值小于0.005 mm。

四通道成像將探測器劃分為四象限成像，系統(tǒng)光線追跡示意圖如圖8所示，整個系統(tǒng)成像完全對稱。

圖8 探測器光線追跡圖Fig.8 Detector ray trace

3 像質(zhì)評價

針對微光夜視系統(tǒng)，像差及像質(zhì)評價主要考察傳遞函數(shù)、衍射能量集中度、點(diǎn)列斑大小以及相對照度。系統(tǒng)MTF曲線如圖9所示，在奈奎斯特頻率為40 lp/mm處所有視場均不小于0.6，成像質(zhì)量良好。

圖9 系統(tǒng)MTF特性曲線圖Fig.9 System MTF characteristic curve

系統(tǒng)的單個像元大小內(nèi)衍射能量集中度曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，系統(tǒng)在單個探測器像元范圍內(nèi)的衍射能量集中度大于0.9，能量集中度較高。

圖10 衍射能量集中度曲線Fig.10 Diffraction energy concentration curve

微光成像光學(xué)系統(tǒng)本身工作環(huán)境光照環(huán)境差，因此對系統(tǒng)相對照度有一定要求，圖11為單通道光學(xué)系統(tǒng)相對照度曲線圖。從圖11中可以看出，系統(tǒng)單通道相對照度各個視場均大于75%，可以正常成像，且像質(zhì)良好。

圖11 相對照度曲線圖Fig.11 Relative illumination curve

系統(tǒng)探測器單個像元尺寸大小為13 μm，最終設(shè)計(jì)結(jié)果各通道點(diǎn)列斑最大尺寸均小于3倍的像元大小且一致性較好，具體參數(shù)如表5所示。

表5 各個通道點(diǎn)列斑大小Table 5 Spot size for each channel point

光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑直接決定系統(tǒng)聚光能力。但由于微光光電設(shè)備普遍工作在低照度環(huán)境，因此無法單一地以相對孔徑大小來評價設(shè)備聚光能力的強(qiáng)弱，因此國內(nèi)外用T數(shù)來作為另一個衡量標(biāo)準(zhǔn)。T數(shù)是針對視距和分辨能力之間轉(zhuǎn)換的一個評判標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)對分辨率的要求結(jié)合物鏡焦距及通過口徑的大小，最后得出T數(shù)數(shù)值。

根據(jù)T數(shù)定義：

(10)

式中：f′為物鏡焦距；D為物鏡有效孔徑；Τ為透過率。

可計(jì)算出本微光偏振成像光學(xué)系統(tǒng)T約為1.342。國軍標(biāo)要求焦距在100 mm以下、相對口徑為1/1.296的最低T數(shù)值不小于1.25，因此該偏振成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際使用要求。

4 成像質(zhì)量公差分析

光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際加工和光學(xué)裝調(diào)過程中會存在厚度、間隔、面型及元件的傾斜和偏心等誤差，如果誤差很大，會嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的成像性能，因此一個完善的設(shè)計(jì)必須按照目前的主流加工工藝水平，對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行公差分析，并進(jìn)行合理的公差分配使系統(tǒng)成像性能達(dá)到最佳。

公差分析的方法主要有Rms spot radius法、Rms wavefront法、Diff.MTF 法。其中MTF是一種直觀全面的像質(zhì)評價方法，因此利用MTF法，考察系統(tǒng)MTF曲線的下降程度。

傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)會在鏡片間裝上隔圈，通過修切隔圈保證間距公差，同軸度[14]靠鏡筒結(jié)構(gòu)精度保證。本文四通道孔徑分光偏振成像系統(tǒng)由于四路完全對稱，要保證后端探測器上獲取的四幅圖像完全一致，則子孔徑成像組鏡片性能要求完全一致。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想在于光闌處離軸分孔徑成像，因此偏心及傾斜公差對于加工及裝調(diào)尤為重要，所以必須在設(shè)計(jì)完成階段需要對子孔徑成像組的加工公差進(jìn)行分析，給出明確的公差容限范圍。另根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，同時需要保證光學(xué)系統(tǒng)在公差容限內(nèi)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)全視場在40 lp/mm處大于0.3。

結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對系統(tǒng)進(jìn)行初始公差分配，表6為初步光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)一公差分配表。

表6 光學(xué)零件/裝配統(tǒng)一公差分配表Table 6 Uniform tolerance distribution for optical parts/optical assemblies

表6中TFRN為光圈公差，TIND為折射率公差。

運(yùn)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax的公差分析功能，設(shè)定系統(tǒng)焦面到最后一面透鏡的距離為補(bǔ)償量，按照公差分配表進(jìn)行衍射MTF均值分析，得到光學(xué)系統(tǒng)單通道MTF分布如圖12所示。

從圖12中可以看出在初始分配的公差容限下，系統(tǒng)MTF下降量在0.3左右，傳遞函數(shù)下降嚴(yán)重將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)最終像質(zhì)變差，不符合實(shí)際工程要求。為確保實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)在公差容限內(nèi)傳遞函數(shù)在40 lp/mm處大于0.3，因此按照分析結(jié)果對部分影響嚴(yán)重的面型及元件間傾斜偏心重新進(jìn)行公差分配，分配結(jié)果如表7所示，未重新分配面按照表6公差分配。

圖12 公差分析MTF曲線分布圖Fig.12 Tolerance analysis MTF curve distribution

面序號初次TIRX(Y)分配收緊TIRX(Y)公差初次TFRN分配收緊TFRN公差初次TSDX(Y)分配收緊TSDX(Y)公差10～120.050.03540.050.0212～150.050.025530.050.033～50.050.04540.050.03

再次運(yùn)用Zemax的公差分析功能，進(jìn)行Monte-Carlo分析，得到光學(xué)系統(tǒng)單通道MTF分布如圖13所示。

圖13 公差分析MTF曲線分布圖Fig.13 Tolerance analysis MTF curve distribution

通過公差二次分配，從圖13中可看到最差MTF下降到0.4。具體傳遞函數(shù)分布概率如表8所示。

從表中可以看出在分配的公差容限下，系統(tǒng)MTF下降量在0.1左右，有90%的概率光學(xué)系統(tǒng)MTF值在0.57之上，80%的概率MTF值高于0.6046，因此公差分配是合理的，所設(shè)計(jì)的共口徑四通道微光實(shí)時偏振成像光學(xué)系統(tǒng)符合實(shí)際加工水平，滿足設(shè)計(jì)及實(shí)際使用要求。

表8 公差分析MTF值Tab.8 Tolerance analysis MTF value

5 結(jié)論

本文根據(jù)光的偏振特性，結(jié)合微光夜視成像原理，按照偏振成像技術(shù)的具體指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)共口徑四通道微光偏振實(shí)時成像光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由共口徑物鏡和4個偏心分孔徑成像鏡頭組成，且各個通道均成像質(zhì)量較好，能夠通過一次曝光實(shí)時獲取動態(tài)目標(biāo)的同一時刻的4個偏振分量的強(qiáng)度圖像，通過偏振解算便可以得到完整的Stokes信息。通過對系統(tǒng)進(jìn)行像質(zhì)評價，并進(jìn)行成像質(zhì)量公差分析，結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)MTF值在40 lp/mm處全視場高于0.57。后續(xù)將進(jìn)行加工制造，并進(jìn)一步研究分焦平面高分辨率實(shí)時偏振探測光學(xué)系統(tǒng)。