试论红外偏振成像系统光学设计
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摘 要 本文提出了一种红外偏振系统为基础的光学设计方案。在对系统的结构特征进行简要介绍的同时，通过设备构件与光路设计的内容，说明光学系统设计的具体方案，并在仿真软件程序的辅助作用下，证实了该系统的成像质量。
关键词 红外线；偏振成像；光学设计
引言
光的电力理论系统中，光属于电磁波的一种形式，在光的干涉与衍射过程中，表现出其所具备的波动性特征。而光学现象下的偏振现象，则进一步说明了光属于横波，是矢量性质的具体表现。在对偏振现象进行深入研究的过程中发现，人工目标的偏振度相对较高，尤其是金属材料，具有明显的特征性。而针对此项内容的研究也会随着技术条件的发展而不断推进。
1 系统结构介绍
偏振成像的光学系统，将矢量图技术作为核心，由于红外波段的偏振特性要明显的优于可见光波段，因此，将红外线技术作为基础，才能更好地发挥偏振成像的光学系统。从技术角度出发，当成像技术与偏振测量技术相互结合后，可以在成像透镜、偏振分析仪、成像探测器等设备中，保证两项技术融合的有效性与科学性，以此保证应用技术内容的完整性[1]。而在系统中，通过成像透镜可以在像面中形成目标成像，并在偏振分析仪对目标的偏振状态进行测量。以此，在形成分量图的基础上，保证目标图像的获取效果。
在孔径偏振成像系统中，通过孔径分割的技术条件，将系统中的共用孔径进行分割，并形成多个独立的孔径系统，且保证每个独立孔径子系统在偏振单元上的独立性。由此，可以在每个子系统中，都能得到不同偏振状态的图像信息。在这种技术条件下，能通過简单、紧凑的系统结构，提高数据处理的效率，但在设计的角度上，势必会带来一定的难度，并使相关的安装与调试工作的复杂度增加。
2 光学系统设计
2.1 设备构件选择
（1）红外偏振片
为了保证对偏振信息的有效提取，必须保证系统对于光线偏振状态的调整能力，因此，偏振器设备，是构成系统的功能的核心构件。而从技术角度来说偏振片也是探测入射光偏振信息的光学器件。
平行的金属线平面阵列，是构成中线栅偏振器的基础结构。技术原理上，由于电磁波受到金属光栅的调制影响会出现衍射现象，因此，也就可以对特定的光信号进行采集与分析。在光栅工作周期的参数上，要明显的低于入射光波的具体补偿条件，由此通过平行金属线的电场分量处理，就会发生反射现象，并使垂直分量处于可透射的状态。当金属导线的导电性能较高时，所产生的透射损失也就相对较小，能更好地完成技术指标。当前技术条件下，可用的红外金属线栅偏振片，其波段在2μm-19μm之间，其外径条件为25mm，有效的孔径直径为20mm，构件所产生的消光比可以确定为300∶1。
（2）探测器
探测器设备的设置中，可以将地面车辆作为具体的探测目标，并将用于探测的长波红外波段限制在8μm-12μm之间。在系统视距条件上，可以将标准定义为3km，然后再针对这一应用条件对设备的像素做出分析。本次设计内容中，采用像素参数为640×512像素级别的图像采集设备，将像元尺寸定义为25μm×25μm，以此保证探测器设备的可用性条件。
2.2 系统光路设计
（1）系统参数
在对系统参数进行计算分析的过程中，可以使用约翰逊准则，进行分析，并带入设备与设计的基本数据，完成参数信息的计算。在系统处理过程中，需将物镜组中的视距目标定位在视场光阑中，保证透镜阵列所处空间的准直条件。在保证光轴平行精度条件的基础上，使四个独立的子系统像面能更好地完成配准处理，为软件分析提供基础条件。由此，可以确定物镜组焦距为187.5mm、准直镜头焦距为110mm、透镜阵列焦距为40mm，完成系统各项参数内容的分析与确认。
（2）物镜组与准直镜头
在物镜组的设置中，需将无穷远的成像目标锁定在一次像面中，并表现出较大的相对孔径参数。而在准直镜头的处理上，需将物镜组所获得的像进行准直调整，并使其物镜之间形成的望远系统。而在设计方法上，也可参照望远镜的系统进行调整布设。在应用望远镜系统完成设计时，其中的出瞳需作为后续透镜阵列中的入瞳，以此才能保证系统的完整性与衔接效果。同时直准镜头会同透镜阵列之间形成完整的中继专项系统。因此在设计过程中，也可突出其衔接功能。在设计系统过程中，需以倒置目镜作为设计标准，不仅要优化设计中的准直镜头条件，也要配合中继转向的像差特征需要。
（3）透镜阵列
将红外线栅偏振片放置在阵列之中时，可以将透镜阵列与聚焦透镜进行一体化结合。在该系统中，通过离轴偏心技术条件，同时获得4个独立通道中的图像内容，并在同一个聚焦透镜的影响下，将其聚合在统一探测器中的不同位置。在进行设计优化的过程中，就需要将探测器的中心作为中点，将其平均的分为四等份条件，并由此调整通道的位置与技术条件，保证图像在探测器中的汇聚效果。而透镜阵列中，红外线栅偏振片需放置在最后，通过像差考察点完成光学传递函数的设置。
（4）系统布局
设计的系统结构中，只有将物镜组、准直镜头、透镜阵列这几个重要的功能组合融汇在一起，才能达到设计预先设定的探测目标。而在基本的技术参数上，系统孔径的直径条件为85mm，焦距为-187.975，在透镜阵列的现实中，呈现梯度化的景象排列水平，可以通过系统的组合，达到红外偏振成像的具体技术标准。在进行系统评定的过程中，准直镜头可以有效控制成像内容的准直条件，并能长期的保持在稳定状态下。在对图像参数与显示效果进行分析的基础上发现，图像中艾里斑的差异化程度并不高，RMS的半径数值也被限制在像元尺寸以内。尤其在MTF的数值参数上，该指标接近于衍射的极限数值，表现出极高的成像效果，因此，该系统能够满足光学系统的使用需要。
3 结束语
综上，偏振是光的典型特征，在此特征条件下，可以形成具体的偏振成像方案，在构筑偏振成像系统的过程中，需在保证基本系统构建合理性的基础上，对系统光路结构的设计进行优化，并在4个独立偏心分孔径的子系统中，保证光学条件下的成像质量，并由此形成结构较为简单成像系统，满足设计的应用目标。
参考文献
[1] 韩平丽，刘飞，魏雅喆，等.用于海面目标探测的中波红外实时偏振成像系统研究[J].红外与毫米波学报，2018，37（06）：746-752，760.
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