基于偏振技術的水下探測器光學系統設計

2018-03-29 05:12:15楊帆王春艷龐廣寧劉歡

長春理工大學學報(自然科學版) 2018年1期

楊帆，王春艷，龐廣寧，劉歡

（長春理工大學光電工程學院，長春 130022）

研究表明，海水中也存在著一個類似“大氣窗口”的“海洋窗口”，即波段在470nm～580nm之間的光波在海水中傳播衰減的程度最小[1］。因此，可以選用這個波段的激光器作為光源來進行水下探測。

但是由于水介質的復雜性，以及光在水中傳播的復雜性，水下探測的距離、精度、可靠性都會受到極大影響，客觀上使得水下難以實現“透明化”，本文考慮利用光的偏振特性來進行探測。偏振探測的優勢在于能夠提供關于目標的表面粗糙度、紋理走向、表面電導率、材料的理化特性、含水量等信息[2］。

光的偏振性就像光的波長、強度、頻率一樣，也是光的基本屬性。不同被測物體受到相同輻射，表面很可能會含有不同的偏振信息，因此可以通過檢測被測物體反射光的偏振特性來了解物體表面的一些固有屬性，從而達到分辨材質的目的[3］。

1 水下探測器工作原理

Stokes參量是描述偏振光的常用方法之一。Stokes參量既可以表示全偏振光，又可以表示部分偏振光甚至是自然光，并且較為容易直接或者間接探測到[4］，使用范圍廣泛。Stokes參量用矢量的表示方法為，其定義如下：

在全偏振光中，S0與其它三個參量的關系為：

其中，S0是總光強；S1描述的是0°方向與90°方向的差值；S2描述的是+45°方向的光強與-45°方向的差值；S3描述的是光束中左旋或者右旋圓偏振光占優勢的量[5］。由以上幾個參數就可以求出最后要得到的偏振度P，偏振度的表示方法為：

所以，全偏振光的偏振度為1；部分偏振光的偏振度在0到1之間；自然光的偏振度為0。

比較傳統的測量Stokes參量的方法是單光路調制法，即用偏振器件繞光軸旋轉不同角度，分別測量不同偏振角度下的偏振光強，得出Stokes參量。這種方法的優點在于光路容易搭建，結構也比較簡單，但是必須分時復用，不能測量光強變化很快的光束，而且使用起來較復雜。

本文提出了一種基于分振幅原理的測量偏振光的方法，如圖1所示，將待測光束先通過前面的光學系統，分解成4個不同偏振方向，用4個探測器同時完成對某一瞬時的各個Stokes參量的測量[6］。這種裝置的結構更加緊湊，測量更加方便。

圖1 水下探測器測試原理平面示意圖

本文中光學系統是一個主動照明成像系統，用532nm的激光器作為光源從水面以上向水下目標發出激光，將水下探測器放在水面以下接收被照射目標的反射光，這樣省去了距離選通技術，也同樣可以很好地將水面反射光和水下物體的反射光區分開來[7］。被照射目標的反射光進入光學系統，經過前面的透鏡組后，被分光棱鏡分為2束光，再分別進入到擺放位置為0°和45°的偏振分光棱鏡中，這樣就能得到偏振棱鏡透光軸與參考方向成0°，45°，90°，135°的4個方向的偏振光，再同時分別用4個光電二極管或者CCD圖像中的灰度值測量出4個方向上的光強。通過電路進行光電轉換，將4個光強信號轉化為電信號輸出。其中S0，S1，S2根據公式（1）-（3）很容易計算出，而S3由于在實際偏振探測中，在儀器檢測范圍內，相對于儀器誤差來講，圓偏振分量可以忽略，況且，由于可見光的頻率極高，設備無法檢測其瞬間的方向，所以通常假設S3≡0。因此，只要求出前3個Stokes參量，就能求出被照射物體的偏振度，區分出不同材質，達到測試目的。

2 光學系統設計

2.1 光學系統指標的確定

根據測試要求，測試水深為10m以內，即可以將物體反射光視為從無窮遠入射進入光學系統。光學系統光波波長由激光器出射光波長決定，考慮激光在水中衰減特性和激光器成本，選擇使用532nm波長的激光器，因此光波為532nm單色光；探測器擬選用日本濱松某型號硅光電探測器，該探測器有效探測面積為10mm×10mm，即像面邊長為10mm；根據測試原理，激光垂直向水中物體照射，探測設備也幾乎垂直接收反射光，但是由于激光在水中會發生散射，經查閱資料，大部分反射光能量集中在發散角度5°之內，因此視場角定為5.2°，再根據像面邊長10mm，可以算出焦距為110mm；在測試過程中，激光經過水中傳輸導致反射光相對微弱，所以要求通光孔徑要大一些保證接收足夠的能量，在這里將FNO.定為2～3；在設計中要先設計前面的光學系統，再添加分光棱鏡及偏振分光棱鏡，所以系統后截距也要留有足夠余量。最后確定基本的光學系統指標，如表1所示。

表1 光學系統指標

雖然這個光學系統對于尺寸沒有做硬性規定，但是從成本和實際使用方便情況來考慮，決定光學總長要控制在200mm之內，鏡片最大口徑控制在65mm之內。

2.2 初始結構的選取及優化

根據經驗，設計一個這種指標的光學系統，不算上棱鏡，最少可以采用5片鏡片的結構，光闌位置在中間即可。

本次設計中光波為單色光，則不需要考慮色差，那么光學系統中可以不需要雙膠合鏡片。

根據設計指標，視場角較小，相對孔徑較大，光闌前面可以采用三片分離的鏡片，這樣能更好地矯正球差，增加自由度，但是光能可能會損失稍微多一些，而且裝調時要注意鏡片傾斜和面偏的問題。

根據以上分析，可以直接從lensview軟件數據庫中尋找初始解。按照一定條件篩選，找到一個符合需求的美國專利，作為初始解。按照所需指標更改波長，視場角，一點點放大口徑，同時進行優化。對于這個系統的優化來說，難點主要在于在焦距固定、總長不能太長的前提下，要盡量去擴大通光口徑，而且要在通光口徑增大的同時保證像質。需要注意的是光路最后部分的棱鏡的添加會使整個光路發生很大的變化，棱鏡材料的選擇并沒有選擇常用的K9玻璃，而是根據工廠的實際加工能力，采用HZF2成都光明環保玻璃作為分光棱鏡和偏振分光棱鏡的材料。

2.3 優化設計結果及像質評價

考慮指標，工藝，成本，結構設計等多方面因素，對初始結構反復優化，（在這個光學系統中因為4束光路除了方向不同，偏振特性不同，其它均為一樣，為方便起見，這次設計只優化其中1條光路）最終得到結果，如圖2所示。

圖2 優化后光路

系統焦距110.1mm，光學總長181.343mm，視場角為5.2°，FNO.為2.1。

圖3-圖5分別是系統點列圖、以及衍射能量分布圖、MTF曲線圖。結果顯示：點列圖中有輕微的彌散斑，彌散斑直徑的均方根值極小，不到1μm，適合能量探測；由系統衍射能量分布曲線可以看出，在彌散斑范圍內衍射能量大于95%，因此該系統的能量集中度高，光能利用率非常好；如果考慮用CCD作為探測器，光學系統MTF曲線很接近衍射極限，成像質量較好。