田晨，陳鵬，張曉杰，龍華保，侯名洋，沈正祥

（1 同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)微結(jié)構(gòu)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

（2 同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院 精密光學(xué)工程技術(shù)研究所，上海 200092）

（3 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

（4 北京空間機(jī)電研究所，北京 100190）

0 引言

紅外成像技術(shù)利用目標(biāo)與背景的熱輻射差形成圖像，具有可晝夜工作、作用距離遠(yuǎn)、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)［1］。紅外成像技術(shù)僅能獲得場(chǎng)景的強(qiáng)度信息，將紅外成像技術(shù)與偏振探測(cè)技術(shù)相結(jié)合能夠同時(shí)獲得場(chǎng)景的紅外強(qiáng)度信息和紅外偏振信息，在遙感探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［2-5］，是當(dāng)前紅外成像技術(shù)的研究熱點(diǎn)［6］。

目前典型的偏振方式有分時(shí)法、分孔徑法、分振幅法以及分焦平面法［7-10］。分時(shí)法通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)偏振片依次獲取四幅不同偏振方向的光強(qiáng)圖像，得到的四幅圖像是在不同時(shí)刻獲取的，因此只適用于靜態(tài)場(chǎng)景或低速成像場(chǎng)景。分孔徑法通過(guò)孔徑分割技術(shù)分光，在每個(gè)子孔徑位置處放置不同偏振方向的偏振元件，焦平面分為四個(gè)有效區(qū)域。分孔徑法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，但分光通常采用離軸或者偏心的系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和裝調(diào)的難度。分振幅法通過(guò)分束器分光，然后由相應(yīng)個(gè)數(shù)的探測(cè)器接收，導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大。

分焦平面法直接在探測(cè)器像元前放置微偏振陣列，紅外探測(cè)器焦平面與不同角度偏振陣列微光元件集成，每2×2 像素構(gòu)成一個(gè)超級(jí)像元，包含4 個(gè)偏振方向的光強(qiáng)，計(jì)算該超級(jí)像元所對(duì)應(yīng)的偏振信息，即可解算出偏振圖像［11］。分焦平面法具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)時(shí)性好、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，但是存在瞬時(shí)視場(chǎng)誤差和圖像分辨率降低的缺陷。利用超分辨重建算法處理是當(dāng)前彌補(bǔ)分焦平面法不足的主流方法，已有學(xué)者進(jìn)行了大量的研究實(shí)驗(yàn)［12-15］?；谒惴▽?duì)圖像進(jìn)行處理雖然能夠增加圖像信息，但所獲得的像素點(diǎn)是通過(guò)計(jì)算得到的，利用不同算法對(duì)低分辨率圖像進(jìn)行重建時(shí)所得到的高分辨率圖像并不唯一［16］。并且當(dāng)目標(biāo)小于1 個(gè)像素大小時(shí)（即點(diǎn)源物體），將無(wú)法獲得完整的偏振數(shù)據(jù)［17］。微掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)同一場(chǎng)景下多幀具有像素位移的圖像采集，采用微掃描技術(shù)與紅外偏振成像技術(shù)相結(jié)合的方法可以直接獲得目標(biāo)4 個(gè)偏振方向的光強(qiáng)值，并且對(duì)于點(diǎn)源物體也能實(shí)現(xiàn)偏振成像［17］。

基于透鏡微掃描的偏振成像光學(xué)系統(tǒng)要求微掃描透鏡位移不降低成像質(zhì)量，且需要焦平面位移與探測(cè)器像元的高度匹配對(duì)準(zhǔn)，因此對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和裝調(diào)均提出了較高的要求。本文研制了基于微掃描透鏡的紅外偏振光學(xué)系統(tǒng)，將最后一片透鏡作為微掃描透鏡的構(gòu)型，微掃描透鏡的同軸度、位置度、掃描位移等公差不敏感，該系統(tǒng)同時(shí)滿足高成像質(zhì)量、低加工難度、大裝配容差的要求。

1 Stokes 偏振成像基礎(chǔ)

目標(biāo)物對(duì)入射光產(chǎn)生反射和發(fā)散，在該過(guò)程中會(huì)根據(jù)自身性質(zhì)產(chǎn)生相關(guān)的偏振信息，偏振態(tài)是和振幅、頻率、相位一樣的另一維光學(xué)信息，不同物體或者同一物體的不同狀態(tài)都會(huì)產(chǎn)生不同的偏振狀態(tài)。Stokes矢量表示法利用4 個(gè)Stokes 參量描述偏振光，各參量可以直接被探測(cè)器探測(cè)。Stokes 參量可以用矢量[I，Q，U，V]T進(jìn)行表示，定義為

式中，I0表示0°線偏振光強(qiáng)，I90表示90°線偏振光強(qiáng)，I45表示45°線偏振光強(qiáng)，I135表示135°線偏振光強(qiáng)，Ir表示右旋圓偏振光強(qiáng)，Il表示左旋圓偏振光強(qiáng)。I表示總光強(qiáng)，Q表示0°和90°偏振光強(qiáng)差，U表示45°和135°偏振光強(qiáng)差，V表示右旋和左旋圓偏振光強(qiáng)差，自然界中的圓偏振光分量極低，因此V可以忽略不計(jì)。

用于表征偏振特性的參數(shù)分別為

式中，p表示偏振度，ψ表示偏振角。

2 基于微掃描技術(shù)的偏振成像方法

系統(tǒng)采用分焦平面法偏振成像技術(shù)，將紅外成像系統(tǒng)中的聚焦透鏡作為微掃描鏡片，固定于二維微位移平臺(tái)，在二維平面上進(jìn)行微掃描成像。二維微位移平臺(tái)采用2×2 模式周期性掃描成像，每次掃描光斑位移一個(gè)像素，每像素位置曝光一次，采集一幀數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)微掃描成像。最終可以獲得同一場(chǎng)景、具有一個(gè)像素位移的4 幅序列圖像，從而獲得目標(biāo)4 個(gè)不同方向的偏振光強(qiáng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而解算Stokes 參數(shù)，彌補(bǔ)了分焦平面偏振成像技術(shù)帶來(lái)的瞬時(shí)視場(chǎng)誤差和分辨率降低問(wèn)題。具體實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示。

圖1 微掃描技術(shù)成像示意圖Fig.1 Schematic diagram of micro-scanning technology imaging

圖中，A、B、C、D 分別代表4個(gè)不同的偏振方向。以成像目標(biāo)上其中一個(gè)物點(diǎn)為例，首先，系統(tǒng)處于初始位置，獲得圖像1，此時(shí)獲得該物點(diǎn)A 方向的偏振光強(qiáng)；接著二維微位移平臺(tái)在控制系統(tǒng)的作用下，驅(qū)動(dòng)微掃描透鏡向右位移一個(gè)像素，獲得圖像2，此時(shí)獲得該物點(diǎn)B 方向的偏振光強(qiáng)；之后驅(qū)動(dòng)微掃描透鏡向下位移一個(gè)像素，獲得圖像3，此時(shí)獲得該物點(diǎn)C 方向的偏振光強(qiáng)；然后驅(qū)動(dòng)微掃描透鏡向左位移一個(gè)像素，獲得圖像4，此時(shí)獲得該物點(diǎn)D 方向的偏振光強(qiáng)，完成一次周期掃描成像，最后再驅(qū)動(dòng)微掃描向上位移一個(gè)像素，將系統(tǒng)復(fù)原至初始位置。通過(guò)該方式獲得了該物點(diǎn)4 個(gè)方向的偏振光強(qiáng)數(shù)據(jù)。通過(guò)偏振成像理論可以解算其Stokes 參數(shù)，將該探測(cè)器焦平面上獲得的所有數(shù)據(jù)值按照該方法進(jìn)行計(jì)算，便可獲得目標(biāo)完整的紅外圖像和紅外偏振圖像。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)

系統(tǒng)針對(duì)中波紅外進(jìn)行成像，采用制冷型中波探測(cè)器，像元尺寸為30 μm，像元數(shù)為320 pixel×256 pixel，探測(cè)器F數(shù)為2，系統(tǒng)焦距為176 mm，具體參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of optical system

3.2 光學(xué)結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輕量化和小型化是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選型主要包括折射式、反射式和折反式光學(xué)結(jié)構(gòu)，卡式折反射系統(tǒng)具有大口徑、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

采用的制冷型探測(cè)器通常用二次成像的方法實(shí)現(xiàn)100%冷光闌以提高其靈敏度。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用折反式光路結(jié)構(gòu)，主次鏡以卡式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，直接限制系統(tǒng)孔徑光闌的位置與口徑，使得冷光闌為系統(tǒng)的孔徑光闌。設(shè)計(jì)系統(tǒng)軸向總長(zhǎng)為99 mm，為了降低系統(tǒng)鏡片制作和裝調(diào)難度，主鏡M1 選擇雙曲面，將非球面次鏡M2 簡(jiǎn)化為平面，僅用于折轉(zhuǎn)光路。后透鏡組利用非球面透鏡校正像差，Lens1、Lens 2、Lens 3 的前表面為偶次非球面，其余鏡片表面都為球面，Lens 4 為微掃描透鏡。利用ZEMAX 軟件對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化和仿真，最終設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)如表2所示，系統(tǒng)光路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)光路Fig.2 Optical path of the system

表2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Table 2 Lens data of optical system design

3.3 成像性能仿真

系統(tǒng)成像質(zhì)量主要通過(guò)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）、彌散斑（點(diǎn)列圖）來(lái)分析。圖3為該系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)，可以看出，截止頻率17 lp/mm 處，無(wú)論是中心視場(chǎng)還是邊緣視場(chǎng)，系統(tǒng)的MTF 值均大于0.47，滿足成像要求。圖4為該系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，可以看出，無(wú)論是中心視場(chǎng)還是邊緣視場(chǎng)，系統(tǒng)的均方根（Root Mean Square，RMS）半徑均小于11 μm，小于探測(cè)器像元尺寸30 μm 的一半，成像質(zhì)量良好。

圖3 系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)Fig.3 MTF of the system

圖4 系統(tǒng)的點(diǎn)列圖Fig.4 Spot diagram of the system

3.4 公差分析

為了證明光學(xué)系統(tǒng)加工的可行性，以及在光學(xué)成像性能滿足使用要求的前提下最大限度地降低加工成本，光學(xué)設(shè)計(jì)完成之后需要進(jìn)行合理的公差分配。使用蒙特卡洛法進(jìn)行系統(tǒng)公差分析，得到表3所示的公差分配結(jié)果，相應(yīng)的仿真分析結(jié)果如圖5所示，全視場(chǎng)MTF 大于0.2@17 lp/mm 的概率達(dá)到90%以上。最終結(jié)果表明，使用表3所示的公差分配能夠有效地滿足實(shí)際加工裝調(diào)以及成像要求。

表3 公差分配結(jié)果Table 3 Tolerance limits

圖5 蒙特卡洛分析仿真結(jié)果Fig.5 Result of Monte Carlo simulation

3.5 微掃描位置像質(zhì)評(píng)價(jià)

3.5.1 MTF 分析

圖6為系統(tǒng)在4 個(gè)不同微掃描位置時(shí)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，可以看出，截止頻率17 lp/mm 處，無(wú)論是中心視場(chǎng)還是邊緣視場(chǎng)，系統(tǒng)的MTF 值均大于0.47，滿足成像要求。

圖6 系統(tǒng)在不同微掃描位置的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)Fig.6 MTF of the system at different micro-scanning positions

圖7～8 分別為系統(tǒng)MTF 值隨微掃描透鏡X方向和Y方向的偏心變化和傾斜變化曲線，可以看出，該光學(xué)系統(tǒng)在偏心±200 μm、傾斜±0.4°的范圍內(nèi)仍能保證較好的成像質(zhì)量，對(duì)公差不敏感，完美解決了分焦平面偏振成像帶來(lái)的瞬時(shí)視場(chǎng)誤差以及分辨率較低的問(wèn)題。

圖7 MTF 值隨微掃描透鏡X 方向和Y 方向的偏心變化曲線Fig.7 MTF changes with the decenter of the micro-scanning lens in the X and Y directions

圖8 MTF 值隨微掃描透鏡X 方向和Y 方向的傾斜變化曲線Fig.8 MTF changes with the tilt of the micro-scanning lens in the X and Y directions

3.5.2 點(diǎn)列圖分析

圖9為系統(tǒng)在4 個(gè)不同微掃描位置時(shí)的點(diǎn)列圖，可以看出，無(wú)論是中心視場(chǎng)還是邊緣視場(chǎng)，系統(tǒng)的RMS半徑均小于11 μm，小于探測(cè)器像元尺寸30 μm 的一半，成像質(zhì)量良好。

圖9 系統(tǒng)在不同微掃描位置的點(diǎn)列圖Fig.9 Spot diagrams of the system at different micro-scanning positions

3.5.3 微掃描鏡片位移分析

微掃描透鏡同時(shí)要求焦平面位移與探測(cè)器像元高度匹配對(duì)準(zhǔn)，掃描透鏡的位移精度影響圖像重建的質(zhì)量。當(dāng)微掃描透鏡Lens4 位移20.8 μm 時(shí)，焦平面位移一個(gè)像素，且X軸與Y軸方向位移距離一致。利用近軸成像公式計(jì)算鏡片位移與焦點(diǎn)位移的關(guān)系曲線，得出

式中，鏡片位移距離為h，焦點(diǎn)位移距離為d。將該近似關(guān)系式（3）與ZEMAX 仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如圖10所示。從圖中可以判斷出，當(dāng)鏡片位移距離小于0.7 mm 時(shí)，ZEMAX 光線追跡結(jié)果與近軸成像公式計(jì)算結(jié)果幾乎一致，具有良好的線性關(guān)系。

圖10 鏡片位移與焦點(diǎn)位移的關(guān)系曲線Fig.10 The relationship curve between lens displacement and focus displacement

系統(tǒng)選用PI 公司的二維微位移平臺(tái)，掃描位移精度優(yōu)于30 nm，小于0.01 個(gè)像素，微掃頻率大于等于1 kHz，響應(yīng)速度在毫秒級(jí)，能夠?qū)崟r(shí)獲得多幀、具有一個(gè)像素位移的圖像。

4 系統(tǒng)研制與成像實(shí)驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工

圖11是整個(gè)成像系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)剖面圖，整個(gè)成像系統(tǒng)包含光學(xué)系統(tǒng)以及連接支撐光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。支撐架是系統(tǒng)的連接核心，主鏡、透鏡筒以及微透鏡二維位移平臺(tái)都與支撐架連接，支撐架采用鈦合金材料提高了剛度。主鏡的材質(zhì)為鋁合金，作為折反式光學(xué)系統(tǒng)的核心，其面形精度決定了系統(tǒng)的成像質(zhì)量，因此，采用應(yīng)力隔離槽與支撐架實(shí)現(xiàn)柔性連接。所有反射鏡和透鏡均采用單點(diǎn)金剛石車削方法［18］進(jìn)行加工，圖12為最終研制的系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖11 成像系統(tǒng)三維剖面圖Fig.11 3D cross-sectional view of the imaging system

圖12 成像系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.12 Physical image of the imaging system

4.1 成像測(cè)試

對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)目標(biāo)的偏振成像數(shù)據(jù)采集及偏振信息解算驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。圖13為多偏振態(tài)同時(shí)成像系統(tǒng)輸出的原始圖像，其中每一個(gè)2×2 像素單元分別由0°、45°、90°偏振和強(qiáng)度響應(yīng)像元組成，由于各角度方向的偏振像元和強(qiáng)度像元響應(yīng)不一致性，圖像的清晰度不高。經(jīng)過(guò)偏振態(tài)抽取和圖像非均勻性校正后，各偏振角度方向和強(qiáng)度響應(yīng)圖像如圖14所示，經(jīng)解算后的偏振度圖像如圖15所示。

圖13 原始圖像Fig.13 Original image

圖14 各偏振方向及紅外強(qiáng)度圖像Fig.14 The images of each polarization direction and infrared intensity

圖15 偏振度圖像Fig.15 Image of degree of polarization

對(duì)偏振圖像和強(qiáng)度圖像進(jìn)行對(duì)比度計(jì)算，計(jì)算公式為

式中，δ(i，j)=|i-j|，表示相鄰像素間的像素灰度差；Pδ(i，j)表示相鄰像素間灰度差為δ的像素分布概率，結(jié)果如表4所示。經(jīng)過(guò)偏振態(tài)抽取和圖像非均勻性校正后，各偏振角度方向圖像、強(qiáng)度圖像、偏振度圖像的對(duì)比度相比原始圖像都得到了較大提升，目標(biāo)的邊緣輪廓更加清晰，且偏振度圖像的對(duì)比度優(yōu)于強(qiáng)度圖像。

表4 圖像對(duì)比度分析結(jié)果Table 4 Contrast analysis results of images

同時(shí)，對(duì)圖15偏振度圖像中各像素點(diǎn)的偏振度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。目標(biāo)包括塑料材質(zhì)和金屬材質(zhì)兩種不同的材料，其中，塑料材質(zhì)部分的偏振度為0.02～0.12，金屬材質(zhì)部分的偏振度為0.31～0.3，不同材質(zhì)的偏振度具有較大差異，驗(yàn)證了紅外偏振成像提升了對(duì)不同材質(zhì)目標(biāo)的識(shí)別能力。

5 結(jié)論

分焦平面偏振成像與微掃描技術(shù)相結(jié)合的方法可以解決分焦平面偏振成像帶來(lái)的瞬時(shí)視場(chǎng)誤差以及分辨率降低等問(wèn)題。本文研制了一套基于透鏡微掃描的折反式紅外偏振成像系統(tǒng)，將傳統(tǒng)卡式系統(tǒng)的雙曲面次鏡簡(jiǎn)化為平面鏡，利用非球面后透鏡組校正像差，降低了系統(tǒng)鏡片制作和裝調(diào)難度。將最后一片透鏡作為微掃描透鏡，實(shí)現(xiàn)2×2 模式微掃描成像，分析了微掃描透鏡的同軸度、位置度、掃描位移等對(duì)成像質(zhì)量的影響，證明微掃描透鏡對(duì)公差不敏感。研制了偏振成像系統(tǒng)并開(kāi)展了成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，相對(duì)于紅外強(qiáng)度成像，紅外偏振成像圖像對(duì)比度更高，目標(biāo)輪廓更清晰。該系統(tǒng)可為后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展2×2 模式微掃描實(shí)驗(yàn)提供硬件支撐。