CN110057754A - 一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头 - Google Patents

一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头，该镜头结构中，偏振元件组包括三个线偏振通道和一个圆偏振通道，三个线偏振通道均包括一第一线偏振片和一平板玻璃，沿光路方向依次为第一线偏振片和平板玻璃，三第一线偏振片的起偏角分别为0°、60°和120°。圆偏振通道包括一第二线偏振片和一1/4波片，沿光路方向依次为第二线偏振片和1/4波片。三线偏振通道和一圆偏振通道分别上、下、前、后偏离共孔径前组镜头的光轴对称设置，四个通道后沿各自的光路方向分别设有一子孔径镜头组，探测器设置在四个通道共同的像面位置。本发明具有结构紧凑，图像获取速度快，受外界扰动小，偏振精度高等优点。本发明尤其适用于实时探测水下运动或变化的物体。

Description

一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头
技术领域
本发明属于水下光学成像技术领域，涉及一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头。
背景技术
水下成像是一项很有意义的工作，由于偏振图像信息可以提供探测目标的表面特性、遮蔽及粗糙度等物理特征，因此，利用水下偏振成像可以提高水下目标在杂乱背景下的识别率，可识别传统水下镜头成像技术难以探测的目标，增大了成像距离和探测深度，提高了图像的对比度和清晰度。
目前，水下偏振成像***大多借鉴遥感偏振成像，采用旋转偏振片式的分时偏振成像装置来获取多角度的偏振图像，进而求解目标的偏振特性。分时偏振成像操作麻烦，需进行多次成像，因而较为适用于探测静止场景，而水下扰动明显(水具有特殊的光学特性，其折射率为1.33，阿贝数为55.80，具有扰动性，进行水下目标探测时，由于水对光的吸收和散射导致光在水介质传播中的衰减，在探测器上成像时目标物的对比度低且模糊不清)，分时偏振成像易受水下扰动影响，不能真实的反映被探测水下目标的偏振特性，因而成像质量较差。
发明内容
本发明提出一种结构紧凑、并可通过一次曝光同时获得三个线偏振图像和圆偏振图像的适用于水下偏振成像的分孔径光学镜头，水下成像质量高。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头，包括沿光路方向依次设置的平板型隔水玻璃、共孔径前组镜头、偏振元件组、子孔径镜头组和探测器；
所述偏振元件组包括三个线偏振通道和一个圆偏振通道，所述三个线偏振通道均包括一第一线偏振片和一平板玻璃，沿光路方向依次为所述第一线偏振片和所述平板玻璃，三第一线偏振片的起偏角分别为0°、60°和120°；所述圆偏振通道包括一第二线偏振片和一1/4波片，沿光路方向依次为所述第二线偏振片和所述1/4波片；
所述三个线偏振通道和所述一个圆偏振通道分别上、下、前、后偏离所述共孔径前组镜头的光轴对称设置，四个通道后沿各自的光路方向分别设有一所述子孔径镜头组，所述探测器设置在所述四个通道共同的像面位置。
进一步地，所述第一线偏振片、所述平板玻璃、所述第二线偏振片和所述1/4波片的厚度均为1mm。
进一步地，所述共孔径前组镜头为分离三片式镜头组，包括同轴依次排布的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
所述第一透镜的前表面曲率半径为43.28mm，后表面曲率半径为53.44mm，厚度为8.19mm；所述第二透镜为双胶合透镜，前表面曲率半径为23.32mm，胶合表面曲率半径为124.30mm，后表面曲率半径为16.10mm，前胶合厚度为10.96mm，后胶合厚度为2.56mm；所述第三透镜为双胶合透镜，前表面曲率半径为-32.33mm，胶合表面曲率半径为41.68mm，后表面曲率半径为-76.08mm，前胶合厚度为10.0mm，后胶合厚度为10.0mm。
进一步地，所述子孔径镜头组为分离三片式镜头组，包括同轴依次排布的第四透镜、第五透镜和第六透镜；
所述第四透镜的前表面曲率半径为23.39mm，后表面曲率半径为11.77mm，厚度为3.89mm；所述第五透镜的前表面曲率半径为11.98mm，后表面曲率半径为-37.82mm，厚度为4.75mm；所述第六透镜的前表面曲率半径为-27.44mm，后表面曲率半径为-123.86mm，厚度为4.24mm。
进一步地，所述探测器的光谱响应范围为430～656nm。
本发明的有益效果在于：
本发明的光学镜头结构紧凑，其采用偏心四偏振通道的结构实现三个线偏振图像和一个圆偏振图像的同时获取，即通过一次曝光成像获取被测目标的圆偏振和线偏振图像，具有图像获取速度快，受外界扰动小，偏振精度高等优点。获取的圆偏振和线偏振图像方便了后期对偏振矢量图的处理，可获取高质量的水下成像。本发明尤其适用于实时探测水下运动或变化的物体。
附图说明
图1为本发明的用于水下偏振成像的分孔径光学镜头的光路设计图(前、后两偏振通道未示出)；
图2为用于水下偏振成像的分孔径光学镜头的点列图；
图3为用于水下偏振成像的分孔径光学镜头的能量集中度曲线；
图4为用于水下偏振成像的分孔径光学镜头的网格畸变图；
图5为用于水下偏振成像的分孔径光学镜头的调制传递函数曲线；
附图标记：1-平板型隔水板，2-第一透镜，3-第二透镜，4-第三透镜，5-偏振元件组，6-第四透镜，7-第五透镜，8-第六透镜，9-探测器，deg-视场角度单位。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明的用于水下偏振成像的分孔径光学镜头作进一步的详细说明。
如图1所示的本实施例提供的分孔径光学镜头的光路图，该光学镜头包括沿光路方向依次设置的平板型隔水玻璃1、共孔径前组镜头、偏振元件组5、子孔径镜头组和探测器9。
偏振元件组5包括三个线偏振通道和一个圆偏振通道，三个线偏振通道均包括一第一线偏振片和一平板玻璃，沿光路方向依次为第一线偏振片和平板玻璃，三第一线偏振片的起偏角分别为0°、60°和120°。圆偏振通道包括一第二线偏振片和一1/4波片，沿光路方向依次为第二线偏振片和1/4波片，第二线偏振片的起偏角为任意角度。第一线偏振片、平板玻璃、第二线偏振片和1/4波片的厚度均为1mm，第一线偏振片、第二线偏振片和1/4波片的材料均为H-K9。
三个线偏振通道和一个圆偏振通道分别上、下、前、后偏离共孔径前组镜头的光轴对称设置，三个第一线偏振片和一个第二线偏振片位于同一竖直平面。四个通道后沿各自的光路方向分别设有一子孔径镜头组，探测器9设置在四个通道共同的像面位置，考虑到水对不同波长的吸收特性，探测器9选取波长光谱范围430～656nm的CCD探测器，其尺寸为14.1×11.3mm的面阵CCD作为接收器，其单个像元为10.8μm。
共孔径前组镜头为分离三片式镜头组，包括同轴依次排布的第一透镜2、第二透镜3和第三透镜4。本实施例中，第一透镜2的前表面曲率半径为43.28mm，后表面曲率半径为53.44mm，厚度为8.19mm，材料为H-LAK59。第二透镜3为双胶合透镜，前表面曲率半径为23.32mm，胶合表面曲率半径为124.30mm，后表面曲率半径为16.10mm，前胶合厚度为10.96mm，后胶合厚度为2.56mm，前胶合材料为H-ZPK，后胶合材料为F4。第三透镜4为双胶合透镜，前表面曲率半径为-32.33mm，胶合表面曲率半径为41.68mm，后表面曲率半径为-76.08mm，前胶合厚度为10.0mm，后胶合厚度为10.0mm，前胶合材料为D-LAK70，后胶合材料为H-ZBAF21。
子孔径镜头组为分离三片式镜头组，包括同轴依次排布的第四透镜6、第五透镜7和第六透镜8。本实施例中，第四透镜6的前表面曲率半径为23.39mm，后表面曲率半径为11.77mm，厚度为3.89mm，材料为H-ZF52。第五透镜7的前表面曲率半径为11.98mm，后表面曲率半径为-37.82mm，厚度为4.75mm，材料为H-ZLAF50。第六透镜8的前表面曲率半径为-27.44mm，后表面曲率半径为-123.86mm，厚度为4.24mm，材料为H-F13。
此外，平板型隔水窗1的厚度为8.0mm，材料为H-K9。
水下偏振成像的分孔径光学镜头在进行水下成像时，被探测目标的反射光依次经过平板型隔水窗1、共孔径前组镜头、偏振元件组5、子孔径镜头组，最后成像于探测器9上。本发明的镜头的工作波段为470～656nm，镜头的有效焦距为40mm，光圈数F为4，镜头***视场角±5°。
由于CCD探测器上单个像元为10.8μm，则由单个像元大小可计算出CCD奈奎斯特频率
根据图2的光线追迹像平面的各视场点列图，各视场下的几何弥散斑均小于成像探测器单个像元10.8μm，满足成像要求。
根据图3的光学镜头的能量集中度曲线，由图中可以看出，本光学镜头在各视场下，单个探测器像元内的成像光束能量集中度均在90％。
根据图4的光学镜头的网格畸变图，满足成像要求。
根据图5中光学镜头的调制传递函数曲线，在奈奎斯特频率46lp/mm处，***所有视场的MTF值都不小于0.8，并且接近衍射极限，其成像质量良好。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (5)

1.一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的平板型隔水玻璃(1)、共孔径前组镜头、偏振元件组(5)、子孔径镜头组和探测器(9)；
偏振元件组(5)包括三个线偏振通道和一个圆偏振通道，所述三个线偏振通道均包括一第一线偏振片和一平板玻璃，沿光路方向依次为所述第一线偏振片和所述平板玻璃，三第一线偏振片的起偏角分别为0°、60°和120°；所述圆偏振通道包括一第二线偏振片和一1/4波片，沿光路方向依次为所述第二线偏振片和所述1/4波片；
所述三个线偏振通道和所述一个圆偏振通道分别上、下、前、后偏离所述共孔径前组镜头的光轴对称设置，四个通道后沿各自的光路方向分别设有一所述子孔径镜头组，探测器(9)设置在所述四个通道共同的像面位置。
2.根据权利要求1所述的用于水下偏振成像的分孔径光学镜头，其特征在于，所述第一线偏振片、所述平板玻璃、所述第二线偏振片和所述1/4波片的厚度均为1mm。
3.根据权利要求1或2所述的用于水下偏振成像的分孔径光学镜头，其特征在于，所述共孔径前组镜头为分离三片式镜头组，包括同轴依次排布的第一透镜(2)、第二透镜(3)和第三透镜(4)；
第一透镜(2)的前表面曲率半径为43.28mm，后表面曲率半径为53.44mm，厚度为8.19mm；第二透镜(3)为双胶合透镜，前表面曲率半径为23.32mm，胶合表面曲率半径为124.30mm，后表面曲率半径为16.10mm，前胶合厚度为10.96mm，后胶合厚度为2.56mm；第三透镜(4)为双胶合透镜，前表面曲率半径为-32.33mm，胶合表面曲率半径为41.68mm，后表面曲率半径为-76.08mm，前胶合厚度为10.0mm，后胶合厚度为10.0mm。
4.根据权利要求3所述的用于水下偏振成像的分孔径光学镜头，其特征在于，所述子孔径镜头组为分离三片式镜头组，包括同轴依次排布的第四透镜(6)、第五透镜(7)和第六透镜(8)；
第四透镜(6)的前表面曲率半径为23.39mm，后表面曲率半径为11.77mm，厚度为3.89mm；第五透镜(7)的前表面曲率半径为11.98mm，后表面曲率半径为-37.82mm，厚度为4.75mm；第六透镜(8)的前表面曲率半径为-27.44mm，后表面曲率半径为-123.86mm，厚度为4.24mm。
5.根据权利要求1所述的用于水下偏振成像的分孔径光学镜头，其特征在于，探测器(9)的光谱响应范围为430～656nm。
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