一种新型实时偏振成像系统设计

摘要

目前传统偏振成像系统普遍存在实时性差、能量利用率低等问题，导致场景信息获取受限、图像误差较大。针对这一问题，本文设计了一种新型实时偏振成像系统。该系统充分利用渥拉斯顿棱镜的分光原理，结合像方远心望远透镜系统与准直透镜系统的对称式结构，通过双轴成像镜系统在单探测器阵列上实时获取正交偏振态的两幅偏振子图像。结果表明该系统所采集到的两幅正交偏振态子图像大小差异在一个像素以内，便于后期的图像处理。本文的具体和主要创新点如下所述：
　　（1）详细阐述了偏振成像的应用需求，分析了传统偏振成像系统的特点，通过对四种常见偏振成像系统的论证，表明新型实时偏振成像系统研制的必要性。
　　（2）通过对透过混沌介质成像原理的分析，阐述在透混沌介质的偏振图像处理中，只需获取两幅正交偏振态图像的原因，并给出传统偏振图像处理流程。
　　（3）针对实时偏振成像的需求，结合萨伐尔棱镜与渥拉斯顿棱镜的四种可能的系统结构的分析，解释最终采用基于平行光入射的渥拉斯顿棱镜偏振成像系统的原因，详细阐述系统的设计理念与组成结构，并对系统的相关参数进行估算。
　　（4）分别对实时偏振成像系统中的前置望远透镜系统、准直透镜系统、渥拉斯顿棱镜系统以及成像镜系统等四个组成部分进行设计优化，根据像差分析图与像差数据，判断系统的优化程度；比较单轴与双轴偏振成像系统的成像特点，从而选择合适的系统结构；从近距离成像与远距离成像两方面证明该系统所获取的两幅偏振子图像的大小差异在算法可校正的范围内，验证所设计系统的可行性。
　　综上所述，本文从实时偏振成像系统的需求出发，详细论述系统设计的理论依据。在设计过程中，采用像方远心望远透镜组降低轴外像差的影响；由于完全对称结构可减小彗差、畸变等多种像差，准直镜的设计采用像方远心望远透镜组的倒置设计；渥拉斯顿棱镜分光角度与底角正相关，但是由于大底角会增大o光与e光分光的不对称性，根据计算选用底角为30°的渥拉斯顿棱镜结构，并采用双渥拉斯顿棱镜组合进一步增大系统的离散角；为校正渥拉斯顿棱镜系统引入的像散，成像镜系统采用双胶合透镜与单透镜组并存的设计结构。从系统成像各个像差评价曲线图与仿真成像效果图进行判断，新型实时偏振成像系统成像效果良好。
　　该系统可有效弥补传统分振幅偏振成像系统的实时性差的不足，并有效地解决分孔径偏振成像系统的能量利用率和分辨率低的问题，改善了偏振焦平面方法中光路串扰的缺陷，在水下探测、天文观测、遥感以及医学等方面有着长足的应用前景。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国外研究发展现状

1.3国内研究发展现状

1.4本文的研究结构安排

第二章 偏振成像原理分析

2.1光波的偏振理论分析

2.2传统透混沌介质偏振成像原理分析

2.3传统偏振成像算法与实验结果分析

2.4本章小结

第三章 新型实时偏振成像系统设计原理分析

3.1偏振成像系统原理及方案分析

3.2基于晶体双折射特性的偏振成像原理

3.3本章小结

第四章 新型偏振成像系统组成分析

4.1系统结构对比分析

4.2系统组成与主要功能

4.3本章小结

第五章 基于渥拉斯顿棱镜偏振成像系统的设计与仿真

5.1系统光学设计参量分析

5.2系统像差分析

5.3全系统结构与像差分析

5.4系统场景成像分析

5.5本章总结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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