基于DMD的偏振成像系统设计

作     者：孙昇 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王超

授予年度：2023年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：像差校正 离轴光学系统 偏振成像 超分辨率成像 

摘      要：宽波段偏振红外成像的分辨率严重受限于宽波段红外探测器的技术水平。目前分辨率最高的红外探测器是美国雷神公司的Polar,其分辨率为640×512,与可见光探测器的分辨率相比依然比较小,难以满足人们想要高分辨率红外成像的要求。除了探测器本身像元分辨率低外,偏振成像也会进一步降低成像分辨率。通常偏振成像一次观测需要获取四个不同偏振态的场景信息,针对这一问题,采用同时偏振的方法,但是会使探测器分辨率下降一倍,对于本身分辨率较低的中长波红外波段会雪上加霜,严重损失场景细节。针对宽波段同时偏振高分辨率成像需求,提出一种基于反射式自由曲面光学系统和数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device,DMD）的分孔径同时偏振超分辨率成像系统,其具有可用于任意光学波段、多个偏振态同时成像、单探测器、高分辨率、易轻量化等优势。给出了这种成像系统光学结构的像差校正原理及设计优化方法,将Wassermann-Wolf（W-W）理论进一步发展,推导了可消除多种像差的反射式Wassermann-Wolf微分方程;同时结合赛德尔像差理论,在求解Wassermann-Wolf方程时加入消畸变的边界条件,通过迭代方式,得到同时消除球差、彗差、像散、畸变的光学初始结构。对该初始结构进行离轴处理并进一步优化,编写自定义优化评价函数,严格控制各子孔径和各视场在中间像面和最终像面上主光线落点位置,从而有效抑制最终系统中的畸变,避免超分辨重建过程中的镜元和像元失配误差,提高重建质量。最终完成了四子孔径自由曲面离轴反射式超分辨成像光学系统的设计,其相对孔径大（F#=2.5）,结构紧凑,各个偏振通道成像质量接近衍射极限。以上像差校正原理及像质优化方法可有效指导超宽波段同时偏振超分辨率成像光学系统的设计。在此四子孔径自由曲面离轴反射式超分辨成像光学系统的基础上,进行了基于压缩感知的超分辨率成像仿真实验,验证了压缩感知对图像分辨率提升的效果。