[发明专利]一种反射式同时偏振超分辨率成像系统及设计方法

说明书

一种反射式同时偏振超分辨率成像系统及设计方法，可用于宽波段偏振高分辨率成像技术领域，了解决现有技术无法对多个偏振态同时实现超分辨率成像的问题，反射式同时偏振超分辨率成像系统，该系统由第一子孔径反射镜、第二子孔径反射镜、第三子孔径反射镜、第四子孔径反射镜、DMD、第一反射镜、第二反射镜、偏振四象限探测器、第一孔径光阑、第二孔径光阑、第三孔径光阑、第四孔径光阑和图像重建单元组成；第一子孔径反射镜、第二子孔径反射镜、第三子孔径反射镜和第四子孔径反射镜采用类田字格结构排布，均为自由曲面反射镜，组成望远反射物镜；第一反射镜和第二反射镜组成中继反射系统；望远反射物镜和中继反射系统组成整体光学系统。

技术领域

本发明涉及一种反射式同时偏振超分辨率成像系统及设计方法，可用于宽波段偏振高分辨率成像技术领域。

背景技术

红外偏振成像相比可见光成像，有着穿透能力强、成像距离远、获取信息量大等优点。其中宽波段红外偏振成像则是未来的发展趋势，如中波红外与长波红外复合成像；可见光与中长波红外双波段成像。

同时偏振成像系统可同时获取多个偏振态图像，其结构包括分振幅型、分焦平面型、分孔径型。其中分振幅型偏振成像系统需要多个分光棱镜，不利于系统小型化，且能量损失较高。分焦平面型偏振成像系统在焦平面上利用四个相邻的不同偏振方向的微偏振片形成一个“超像元”，导致每个偏振态的视场不连续，可能丢失部分信息。分孔径型偏振成像系统通过光路设计，在探测器焦平面上同时获取四幅同一视场下的不同偏振态图像，每幅偏振态图像的分辨率会降为探测器分辨率的二分之一。此时，在该系统中适当位置加入数字微镜器件(DMD)，作为编码孔径掩模，通过变换DMD上的编码，获取多帧图像，并进行算法重建，可以使每个偏振态的图像分辨率达到原来的2倍及以上，从而提高偏振成像的分辨率。

中国专利公开号为“CN111896480A”，专利名称为“一种离轴宽波段反射式同时偏振成像系统”，该专利设计了一种离轴三反、分孔径宽波段偏振成像系统，可以实现同时偏振成像，但无法获取超分辨率图像。

中国专利公开号为“CN109104582A”，专利名称为“一种实时超分辨偏振红外光电成像方法”，在探测器前放置偏振片与孔径编码掩膜阵列来实现偏振超分辨，但由于该技术中偏振片的偏振方向只有水平与垂直两种，无法得到45°及135°偏振信息，因此不能得到场景斯托克斯矢量的U分量，无法满足大多数偏振成像的需求。

发明内容

本发明为了解决现有技术无法对多个偏振态同时实现超分辨率成像的问题，提出了一种反射式同时偏振超分辨率成像系统及设计方法，采用基于DMD的编码超分辨方法，提高系统偏振成像分辨率，并给出了该系统中光学系统的设计方法。

反射式同时偏振超分辨率成像系统，该系统由第一子孔径反射镜、第二子孔径反射镜、第三子孔径反射镜、第四子孔径反射镜、DMD、第一反射镜、第二反射镜、偏振四象限探测器、第一孔径光阑、第二孔径光阑、第三孔径光阑、第四孔径光阑和图像重建单元组成；第一子孔径反射镜、第二子孔径反射镜、第三子孔径反射镜和第四子孔径反射镜采用类田字格结构排布，均为自由曲面反射镜，组成望远反射物镜；第一反射镜和第二反射镜组成中继反射系统；望远反射物镜和中继反射系统组成整体光学系统；

目标物体发出的光线同时经过望远反射物镜的第一子孔径反射镜、第二子孔径反射镜、第三子孔径反射镜和第四子孔径反射镜，分别反射到DMD的四个田字排布的区域；DMD对光线进行编码，来自DMD的反射光线依次经过第一反射镜和第二反射镜反射，将DMD上经过编码的光线最终成四个等大的像，分别投影到偏振四象限探测器的四个象限上，每个象限附有不同的微偏振片阵列，分别获得0°，45°，90°，135°方向偏振光强信息，即I₀、I₄₅、I₉₀、I₁₃₅；变换DMD编码形式，每变换一次码型进行一次成像，从而获得多幅分辨率为探测器分辨率的1/2的低分辨率偏振光强灰度图像；