基于微扫描的红外偏振成像光学系统研制

田晨，陈鹏，张晓杰，龙华保，侯名洋，沈正祥

（1 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092）

（2 同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，上海 200092）

（3 上海航天控制技术研究所，上海 201109）

（4 北京空间机电研究所，北京 100190）

0 引言

红外成像技术利用目标与背景的热辐射差形成图像，具有可昼夜工作、作用距离远、隐蔽性好等优点［1］。红外成像技术仅能获得场景的强度信息，将红外成像技术与偏振探测技术相结合能够同时获得场景的红外强度信息和红外偏振信息，在遥感探测、目标识别、目标跟踪等领域具有广泛的应用［2-5］，是当前红外成像技术的研究热点［6］。

目前典型的偏振方式有分时法、分孔径法、分振幅法以及分焦平面法［7-10］。分时法通过机械旋转偏振片依次获取四幅不同偏振方向的光强图像，得到的四幅图像是在不同时刻获取的，因此只适用于静态场景或低速成像场景。分孔径法通过孔径分割技术分光，在每个子孔径位置处放置不同偏振方向的偏振元件，焦平面分为四个有效区域。分孔径法系统结构紧凑，但分光通常采用离轴或者偏心的系统，增加了系统设计和装调的难度。分振幅法通过分束器分光，然后由相应个数的探测器接收，导致系统体积较大。

分焦平面法直接在探测器像元前放置微偏振阵列，红外探测器焦平面与不同角度偏振阵列微光元件集成，每2×2 像素构成一个超级像元，包含4 个偏振方向的光强，计算该超级像元所对应的偏振信息，即可解算出偏振图像［11］。分焦平面法具有系统结构紧凑、实时性好、集成度高等优点，但是存在瞬时视场误差和图像分辨率降低的缺陷。利用超分辨重建算法处理是当前弥补分焦平面法不足的主流方法，已有学者进行了大量的研究实验［12-15］。基于算法对图像进行处理虽然能够增加图像信息，但所获得的像素点是通过计算得到的，利用不同算法对低分辨率图像进行重建时所得到的高分辨率图像并不唯一［16］。并且当目标小于1 个像素大小时（即点源物体），将无法获得完整的偏振数据［17］。微扫描技术可以实现同一场景下多帧具有像素位移的图像采集，采用微扫描技术与红外偏振成像技术相结合的方法可以直接获得目标4 个偏振方向的光强值，并且对于点源物体也能实现偏振成像［17］。

基于透镜微扫描的偏振成像光学系统要求微扫描透镜位移不降低成像质量，且需要焦平面位移与探测器像元的高度匹配对准，因此对光学系统设计和装调均提出了较高的要求。本文研制了基于微扫描透镜的红外偏振光学系统，将最后一片透镜作为微扫描透镜的构型，微扫描透镜的同轴度、位置度、扫描位移等公差不敏感，该系统同时满足高成像质量、低加工难度、大装配容差的要求。

1 Stokes 偏振成像基础

目标物对入射光产生反射和发散，在该过程中会根据自身性质产生相关的偏振信息，偏振态是和振幅、频率、相位一样的另一维光学信息，不同物体或者同一物体的不同状态都会产生不同的偏振状态。Stokes矢量表示法利用4 个Stokes 参量描述偏振光，各参量可以直接被探测器探测。Stokes 参量可以用矢量[I，Q，U，V]T进行表示，定义为

式中，I0表示0°线偏振光强，I90表示90°线偏振光强，I45表示45°线偏振光强，I135表示135°线偏振光强，Ir表示右旋圆偏振光强，Il表示左旋圆偏振光强。I表示总光强，Q表示0°和90°偏振光强差，U表示45°和135°偏振光强差，V表示右旋和左旋圆偏振光强差，自然界中的圆偏振光分量极低，因此V可以忽略不计。

用于表征偏振特性的参数分别为

式中，p表示偏振度，ψ表示偏振角。

2 基于微扫描技术的偏振成像方法

系统采用分焦平面法偏振成像技术，将红外成像系统中的聚焦透镜作为微扫描镜片，固定于二维微位移平台，在二维平面上进行微扫描成像。二维微位移平台采用2×2 模式周期性扫描成像，每次扫描光斑位移一个像素，每像素位置曝光一次，采集一帧数据，实现微扫描成像。最终可以获得同一场景、具有一个像素位移的4 幅序列图像，从而获得目标4 个不同方向的偏振光强数据，进而解算Stokes 参数，弥补了分焦平面偏振成像技术带来的瞬时视场误差和分辨率降低问题。具体实现方式如图1所示。

图1 微扫描技术成像示意图Fig.1 Schematic diagram of micro-scanning technology imaging

图中，A、B、C、D 分别代表4个不同的偏振方向。以成像目标上其中一个物点为例，首先，系统处于初始位置，获得图像1，此时获得该物点A 方向的偏振光强；接着二维微位移平台在控制系统的作用下，驱动微扫描透镜向右位移一个像素，获得图像2，此时获得该物点B 方向的偏振光强；之后驱动微扫描透镜向下位移一个像素，获得图像3，此时获得该物点C 方向的偏振光强；然后驱动微扫描透镜向左位移一个像素，获得图像4，此时获得该物点D 方向的偏振光强，完成一次周期扫描成像，最后再驱动微扫描向上位移一个像素，将系统复原至初始位置。通过该方式获得了该物点4 个方向的偏振光强数据。通过偏振成像理论可以解算其Stokes 参数，将该探测器焦平面上获得的所有数据值按照该方法进行计算，便可获得目标完整的红外图像和红外偏振图像。

3 光学系统设计

3.1 光学设计指标

系统针对中波红外进行成像，采用制冷型中波探测器，像元尺寸为30 μm，像元数为320 pixel×256 pixel，探测器F数为2，系统焦距为176 mm，具体参数如表1所示。

表1 光学系统参数Table 1 Parameters of optical system

3.2 光学结构选型与优化设计

光学系统结构的轻量化和小型化是光学系统设计的重要标准，红外光学系统的结构选型主要包括折射式、反射式和折反式光学结构，卡式折反射系统具有大口径、结构紧凑等优点，得到了广泛的应用。

采用的制冷型探测器通常用二次成像的方法实现100%冷光阑以提高其灵敏度。设计的系统采用折反式光路结构，主次镜以卡式系统为基础，直接限制系统孔径光阑的位置与口径，使得冷光阑为系统的孔径光阑。设计系统轴向总长为99 mm，为了降低系统镜片制作和装调难度，主镜M1 选择双曲面，将非球面次镜M2 简化为平面，仅用于折转光路。后透镜组利用非球面透镜校正像差，Lens1、Lens 2、Lens 3 的前表面为偶次非球面，其余镜片表面都为球面，Lens 4 为微扫描透镜。利用ZEMAX 软件对系统性能进行优化和仿真，最终设计结果参数如表2所示，系统光路如图2所示。

图2 系统设计光路Fig.2 Optical path of the system

表2 光学系统设计数据Table 2 Lens data of optical system design

3.3 成像性能仿真

系统成像质量主要通过光学调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）、弥散斑（点列图）来分析。图3为该系统的光学调制传递函数，可以看出，截止频率17 lp/mm 处，无论是中心视场还是边缘视场，系统的MTF 值均大于0.47，满足成像要求。图4为该系统的点列图，可以看出，无论是中心视场还是边缘视场，系统的均方根（Root Mean Square，RMS）半径均小于11 μm，小于探测器像元尺寸30 μm 的一半，成像质量良好。

图3 系统的光学调制传递函数Fig.3 MTF of the system

图4 系统的点列图Fig.4 Spot diagram of the system

3.4 公差分析

为了证明光学系统加工的可行性，以及在光学成像性能满足使用要求的前提下最大限度地降低加工成本，光学设计完成之后需要进行合理的公差分配。使用蒙特卡洛法进行系统公差分析，得到表3所示的公差分配结果，相应的仿真分析结果如图5所示，全视场MTF 大于0.2@17 lp/mm 的概率达到90%以上。最终结果表明，使用表3所示的公差分配能够有效地满足实际加工装调以及成像要求。

表3 公差分配结果Table 3 Tolerance limits

图5 蒙特卡洛分析仿真结果Fig.5 Result of Monte Carlo simulation

3.5 微扫描位置像质评价

3.5.1 MTF 分析

图6为系统在4 个不同微扫描位置时的光学调制传递函数曲线，可以看出，截止频率17 lp/mm 处，无论是中心视场还是边缘视场，系统的MTF 值均大于0.47，满足成像要求。

图6 系统在不同微扫描位置的光学调制传递函数Fig.6 MTF of the system at different micro-scanning positions

图7～8 分别为系统MTF 值随微扫描透镜X方向和Y方向的偏心变化和倾斜变化曲线，可以看出，该光学系统在偏心±200 μm、倾斜±0.4°的范围内仍能保证较好的成像质量，对公差不敏感，完美解决了分焦平面偏振成像带来的瞬时视场误差以及分辨率较低的问题。

图7 MTF 值随微扫描透镜X 方向和Y 方向的偏心变化曲线Fig.7 MTF changes with the decenter of the micro-scanning lens in the X and Y directions

图8 MTF 值随微扫描透镜X 方向和Y 方向的倾斜变化曲线Fig.8 MTF changes with the tilt of the micro-scanning lens in the X and Y directions

3.5.2 点列图分析

图9为系统在4 个不同微扫描位置时的点列图，可以看出，无论是中心视场还是边缘视场，系统的RMS半径均小于11 μm，小于探测器像元尺寸30 μm 的一半，成像质量良好。

图9 系统在不同微扫描位置的点列图Fig.9 Spot diagrams of the system at different micro-scanning positions

3.5.3 微扫描镜片位移分析

微扫描透镜同时要求焦平面位移与探测器像元高度匹配对准，扫描透镜的位移精度影响图像重建的质量。当微扫描透镜Lens4 位移20.8 μm 时，焦平面位移一个像素，且X轴与Y轴方向位移距离一致。利用近轴成像公式计算镜片位移与焦点位移的关系曲线，得出

式中，镜片位移距离为h，焦点位移距离为d。将该近似关系式（3）与ZEMAX 仿真结果进行比对，如图10所示。从图中可以判断出，当镜片位移距离小于0.7 mm 时，ZEMAX 光线追迹结果与近轴成像公式计算结果几乎一致，具有良好的线性关系。

图10 镜片位移与焦点位移的关系曲线Fig.10 The relationship curve between lens displacement and focus displacement

系统选用PI 公司的二维微位移平台，扫描位移精度优于30 nm，小于0.01 个像素，微扫频率大于等于1 kHz，响应速度在毫秒级，能够实时获得多帧、具有一个像素位移的图像。

4 系统研制与成像实验

4.1 系统结构设计及加工

图11是整个成像系统的三维结构剖面图，整个成像系统包含光学系统以及连接支撑光学系统的机械结构。支撑架是系统的连接核心，主镜、透镜筒以及微透镜二维位移平台都与支撑架连接，支撑架采用钛合金材料提高了刚度。主镜的材质为铝合金，作为折反式光学系统的核心，其面形精度决定了系统的成像质量，因此，采用应力隔离槽与支撑架实现柔性连接。所有反射镜和透镜均采用单点金刚石车削方法［18］进行加工，图12为最终研制的系统实物图。

图11 成像系统三维剖面图Fig.11 3D cross-sectional view of the imaging system

图12 成像系统实物图Fig.12 Physical image of the imaging system

4.1 成像测试

对成像系统进行了室内目标的偏振成像数据采集及偏振信息解算验证实验。图13为多偏振态同时成像系统输出的原始图像，其中每一个2×2 像素单元分别由0°、45°、90°偏振和强度响应像元组成，由于各角度方向的偏振像元和强度像元响应不一致性，图像的清晰度不高。经过偏振态抽取和图像非均匀性校正后，各偏振角度方向和强度响应图像如图14所示，经解算后的偏振度图像如图15所示。

图13 原始图像Fig.13 Original image

图14 各偏振方向及红外强度图像Fig.14 The images of each polarization direction and infrared intensity

图15 偏振度图像Fig.15 Image of degree of polarization

对偏振图像和强度图像进行对比度计算，计算公式为

式中，δ(i，j)=|i-j|，表示相邻像素间的像素灰度差；Pδ(i，j)表示相邻像素间灰度差为δ的像素分布概率，结果如表4所示。经过偏振态抽取和图像非均匀性校正后，各偏振角度方向图像、强度图像、偏振度图像的对比度相比原始图像都得到了较大提升，目标的边缘轮廓更加清晰，且偏振度图像的对比度优于强度图像。

表4 图像对比度分析结果Table 4 Contrast analysis results of images

同时，对图15偏振度图像中各像素点的偏振度进行统计分析。目标包括塑料材质和金属材质两种不同的材料，其中，塑料材质部分的偏振度为0.02～0.12，金属材质部分的偏振度为0.31～0.3，不同材质的偏振度具有较大差异，验证了红外偏振成像提升了对不同材质目标的识别能力。

5 结论

分焦平面偏振成像与微扫描技术相结合的方法可以解决分焦平面偏振成像带来的瞬时视场误差以及分辨率降低等问题。本文研制了一套基于透镜微扫描的折反式红外偏振成像系统，将传统卡式系统的双曲面次镜简化为平面镜，利用非球面后透镜组校正像差，降低了系统镜片制作和装调难度。将最后一片透镜作为微扫描透镜，实现2×2 模式微扫描成像，分析了微扫描透镜的同轴度、位置度、扫描位移等对成像质量的影响，证明微扫描透镜对公差不敏感。研制了偏振成像系统并开展了成像实验，结果表明，相对于红外强度成像，红外偏振成像图像对比度更高，目标轮廓更清晰。该系统可为后续进一步开展2×2 模式微扫描实验提供硬件支撑。