CN103592808A - 宽视场体积紧凑型偏振成像相机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽视场体积紧凑型偏振成像相机，物镜最后一个透镜镜面到图像传感器距离远大于其焦距，所述物镜和图像传感器之间设有多个分束镜，所述分束镜将光束分为与图像传感器数目相同的若干束光束后，每一束光束再分别通过一线偏振片成像到一个对应的图像传感器中，本发明通过采用由前负透镜组和后正透镜组构成的长后工作距离物镜，可在较小物镜焦距和大成像视场角的情况下，有效的增加物镜到图像传感器之间的距离，可在此空间上放置多个分束镜、偏振元件和图像传感器，有效的减小了分振幅测量-偏振成像***的体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像相机，特别涉及一种宽视场体积紧凑型偏振成像相机
背景技术
偏振成像（polarization imaging）或斯托克斯偏振成像（stokes polarization imaging）技术是近年来发展起来的新型图像探测技术，与传统的光强度图像探测技术相比，可以获得目标光辐射的偏振强度、偏振度、偏振角和偏振椭率等参数，大大增加了被探测目标的信息量。基于这些优点，偏振成像技术在医学、工业和国防等领域有重要的应用价值。
目前主要的偏振成像探测方式有时序法、集成微偏振元件阵列法和分振幅测量方式。时序测量方法采用机械切换或者液晶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图像来得到探测目标的偏振特性。时序测量法依赖于测量过程中目标和偏振成像探测***处于相对静止状态的假设，并且光照射条件不变。因此此法限于对静止或无偏振变化的目标探测。
集成微偏振元件阵列法，是在图像传感器上集成矩阵式的微小偏振元件，使得图像传感器每个像素对应一种线偏振方向或波片相位，然后采用像素内插的计算方式，通过牺牲空间分辨率来获取拍摄目标的所有偏振信息。
分振幅测量方式最初由Garlick等提出，这种成像仪包括四个独立的图像探测器，使用同一物镜，利用一系列的偏振光束分束器和延迟期，再经过四个独立的成像***把不同的偏振方向的偏振图像成像在四个探测器上，这样就可以同时获取目标Stokes参量所需的四幅偏振图像。由于此方法中所采用的偏振分束器占用了较大的空间，成像物镜的焦平面一般不能直接达到四个独立的图像传感器。目前解决该问题的办法有两种:1.采用四个中继镜头分别将成像物镜的像分别成像在四个探测器上。该方法会增加光学***体积和光学部件调整复杂度。2.减小分束棱镜的厚度和增大成像物镜的焦距。目前已出现三图像传感器的偏振成像相机，但由于难于进一步压缩空间，很难加入第四个图像传感器，所以不属于真正意义上的全斯托克斯偏振成像；另外，增大成像物镜的焦距，只能限于较小视场角或远距离拍摄的应用，比如望远、航拍和遥感。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种宽视场体积紧凑型偏振成像相机，该偏振成像相机光学***体积紧凑，并可拍摄宽视场范围目标物体的斯托克斯偏振参量信息。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽视场体积紧凑型偏振成像相机，包括物镜、分束镜、多个图像传感器，所述物镜为变焦镜头，通过调节此物镜的焦距，可获得不同的视场角度，其由前端的前负透镜组、中间的光阑和后端的后正透镜组构成，所述物镜最后一个透镜镜面到图像传感器距离远大于其焦距，所述物镜和图像传感器之间设有多个分束镜，所述分束镜将光束分为与图像传感器数目相同的若干束光束后，每一束光束再分别通过一线偏振片成像到一个对应的图像传感器中。
作为本发明的进一步改进，所述成像相机中设有四个图像传感器，所述物镜和图像传感器之间三个分束镜，所述分束镜将光束分为四路，每一路光束通过一线偏振片成像到图像传感器中。
作为本发明的进一步改进，所述线偏振片的偏振轴角度依次为0度,45度,90度,135度。
作为本发明的进一步改进，所述光路中位于线偏振片的前端设有滤光片，滤光片的作用是对样品辐射出的光信号进行滤波，只让单一波长通过并最终得到探测，具体放置位置不限。
作为本发明的进一步改进，所述光路中位于线偏振片的前端设有滤光片切换装置，所述滤光片切换装置上安装有不同的滤光片。滤光片切换装置的作用是对不同的滤光片进行切换，让多个单一波长依次通过并最终分别得到探测。
作为本发明的进一步改进，光阑的位置在物镜中后正透镜组的前焦平面上。
本发明的有益效果是：本发明通过采用由前负透镜组和后正透镜组构成的长后工作距离物镜，可在较小物镜焦距和大成像视场角的情况下，有效的增加物镜到图像传感器之间的距离，可在此空间上放置多个分束镜、偏振元件和图像传感器，有效的减小了分振幅测量-偏振成像***的体积。
附图说明
图1为本发明的立体示意图；
图2为本发明滤光片位于物镜内的光路原理图；
图3为本发明滤光片位于物镜前的光路原理图；
图4为本发明采用滤光片切换装置的示意图；
图中标示：1-物镜；2-分束镜；3-图像传感器；4-前负透镜组；5-光阑；6-后正透镜组；7-线偏振片；8-滤光片；9-滤光片切换装置；10-光束。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
图1示出了本发明一种宽视场体积紧凑型偏振成像相机的一种实施方式，包括物镜1、分束镜2、多个图像传感器3，所述物镜1为变焦镜头，其由前端的前负透镜组4、中间的光阑5和后端的后正透镜6组构成，所述物镜1最后一个透镜镜面到图像传感器3距离远大于其焦距，所述物镜1和图像传感器3之间设有多个分束镜2，所述分束镜2将光束10分为与图像传感器3数目相同的若干束光束后，每一束光束再分别通过一线偏振片7成像到一个对应的图像传感器3中；所述成像相机中设有四个图像传感器3，所述物镜1和图像传感器3之间三个分束镜2，所述分束镜2将光束10分为四路，每一路光束10通过一线偏振片7成像到图像传感器3中，所述线偏振片7的偏振轴角度依次为0度,45度,90度,135度，所述光路中位于线偏振片7的前端设有滤光片8，滤光片8的作用是对样品辐射出的光信号进行滤波，只让单一波长通过并最终得到探测，滤光片8可以安装于物镜的内部，如图2所示，滤光片8也可以安装于物镜1的前端，如图3所示，当然滤光片8可以安装于线偏振片7前的任意光路位置上；如图4所示，所述光路中位于线偏振片7的前端设有滤光片切换装置9，所述滤光片切换装置9上安装有不同的滤光片8，滤光片切换装置9的作用是对不同的滤光片8进行切换，让多个单一波长依次通过并最终分别得到探测，所述光阑5设于物镜中后正透镜组6的前焦平面上。
对于一定尺寸的图像传感器芯片LS，相机的视场角 
与物镜焦距成反比
因此，要获得大视场角，需要缩短物镜焦距。设长后工作距离物镜的前负组焦距为f1(f1<0), 后正透镜组焦距为f2(f2>0),前后两组主平面之间的间距为d,则根据光学原理有
其中L为后正透镜组主平面到该物镜的焦平面的距离，即后工作距离。由这两个公式可看出，对于给定要求的物镜焦距f,选择适当的f1和前后两组之间的间距d,可得到远大于焦距f的后工作距离L。因此可在后工作距上放置多个分束镜，而对于焦距长短并无限制。
目标物体所辐射的光信号通过该长后工作距离物镜成像后，经过三个分束镜分光后分为四路，最后分别通过四个偏振透光方向不同的线偏振片(四个线偏振片的偏振轴角度依次为0度,45度,90度,135度)，汇聚到四个图像传感器上，该四个图像传感器将同时捕捉到的这四幅图像传送给计算机，最后由计算机计算出目标物体所辐射光信号的偏振信息。
对于大多数应用，部分偏振光有三个参数比较重要：光强I，线偏振度 DoLP和偏振角度AoP。
DoLP=
AoP=
在以上两个公式中S0,S1和S2为斯托克斯四个参量中的前三个参量，由以下公式给出
其中I(0o)为对应偏振轴方向为0度线偏振片的图像强度，依次类推I(45o),I(90o)，I(135o)分别为对应偏振轴方向为45度，90度，135度线偏振片的图像传感器所采集到的图像强度。
Claims (6)
1.一种宽视场体积紧凑型偏振成像相机，包括物镜(1)、分束镜(2)、多个图像传感器(3)，其特征在于：所述物镜(1)为变焦镜头，其由前端的前负透镜组(4)、中间的光阑(5)和后端的后正透镜(6)组构成，所述物镜(1)最后一个透镜镜面到图像传感器距离远大于其焦距，所述物镜(1)和图像传感器(3)之间设有多个分束镜(2)，所述分束镜(2)将光束(10)分为与图像传感器(3)数目相同的若干束光束(10)后，每一束光束(10)再分别通过一线偏振片(7)成像到一个对应的图像传感器(3)中。
2.根据权利要求1所述的宽视场体积紧凑型偏振成像相机，其特征在于：所述成像相机中设有四个图像传感器(3)，所述物镜(1)和图像传感器(3)之间三个分束镜(2)，所述分束镜(2)将光束分为四路，每一路光束通过一线偏振片(7)成像到图像传感器(3)中。
3.根据权利要求2所述的宽视场体积紧凑型偏振成像相机，其特征在于：所述线偏振片(7)的偏振轴角度依次为0度,45度,90度,135度。
4.根据权利要求1所述的宽视场体积紧凑型偏振成像相机，其特征在于：所述光路中位于线偏振片(7)的前端设有滤光片(8)。
5.根据权利要求1所述的宽视场体积紧凑型偏振成像相机，其特征在于：所述光路中位于线偏振片(7)的前端设有滤光片切换装置(9)，所述滤光片切换装置(9)上安装有不同的滤光片(8)。
6.根据权利要求1所述的宽视场体积紧凑型偏振成像相机，其特征在于：所述光阑(5)设于物镜中后正透镜组(6)的前焦平面上。
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