非旋转对称自由曲面光学系统偏振像差分布特性及调控机制研究

Polarization imaging has the advantages of penetrating the mist, highlighting the target, restraining the flare and distinguishing fake targets. To meet the needs of high resolution and large field of view (FOV) for sea targets polarization detecting in the complex marine environment, a polarization imaging system with freeform surfaces is proposed. Based on the vector aberration theory, the analytic model of the polarization aberrations in non-rotationally asymmetry system with freeform surfaces are established. The polarization aberrations distribution characteristics are analyzed. The principles of freeform surfaces acting on the polarization aberrations are researched. The imaging quality evaluation methods for polarization system that contains freeform surfaces are proposed to guide these kinds of optical system design. A set of dynamic fine regulation mechanism for full-FOV polarization aberrations distribution is formed. Therefore, the low polarization detection precision and poor imaging resolution lead by polarization aberrations in large FOV, large relative aperture and wide spectral bands optical systems are solved. At last, the experimental test platform is built to verify the correctness of the theoretical analysis. The research results of this subject will provide theoretical basis for the high precision and efficiency sea targets detection and technical support for disaster prevention and reduction in marine environment. It will also provide guarantee for building maritime power.

偏振探测具有穿透云雾、凸显目标、抑制耀斑、识别真伪等特点，本课题针对复杂海洋环境下高分辨、大视场海洋目标偏振探测需求，提出将自由曲面引入到非旋转对称偏振成像光学系统中，基于矢量像差理论，构建非旋转对称自由曲面光学系统的偏振像差解析模型，分析系统偏振像差分布特性，探索非旋转对称结构和自由曲面面型对偏振像差的作用机理，提出适用于非旋转对称自由曲面偏振光学系统的像质评价方法，形成对全视场偏振像差的动态精细化调控机制，指导此类光学系统设计，从而解决大视场、大相对孔径、宽谱段光学系统偏振像差所导致的偏振探测精度低、成像分辨率差等问题；最后，搭建实验测试平台，验证理论分析结果的正确性。本课题研究成果将为高精度、高时效海洋目标偏振探测提供理论基础，为我国海洋环境防灾减灾提供技术支撑，为建设海洋强国提供保障。

随着近年来人类对地球遥感、深空探测等领域的开发和利用，离轴自由曲面反射式空间光学系统逐步得到应用。偏振是近年来新兴的光学探测手段之一，其在地球大气遥感、深空目标探测以及高速激光通信等空间光学系统中的应用越来越受到重视。然而，光学系统结构、面型、膜系等因素产生的偏振像差对偏振测量精度、偏振成像质量等具有不可忽视的影响。针对含有自由曲面的大视场、离轴、反射式空间光学系统引入的偏振像差，由于缺少完善的自由曲面空间光学系统偏振像差理论作为指导，设计者难以有针对性地在设计初期对偏振像差的分布进行优化，仅能对系统进行偏振定标，不仅工程量大，且难以准确标定全视场的偏振像差。上述问题大大限制了偏振在高精度空间光学系统中的应用。为此，本项目针对自由曲面空间光学系统偏振像差特性开展研究，发展自由曲面空间光学系统偏振像差理论，从光学设计层面完成对系统偏振像差的表征与调控。基于琼斯矢量和琼斯矩阵的偏振表征方法，提出含有泽尼克多项式（Zernike）自由曲面的离轴光学系统偏振像差分析方法；构建离轴自由曲面反射光学系统全视场、全口径偏振像差解析模型；分析自由曲面对离轴光学系统相位像差、相位延迟、二向衰减等偏振像差分布的影响；提出自由曲面光学系统偏振优化设计方法，开展视场离轴和光瞳离轴自由曲面空间光学系统偏振优化设计，验证设计方法的可行性；通过搭建室内自由曲面多角度偏振测试平台，验证理论研究结果的正确性。该研究成果具有重要的科学意义，对于进一步完善自由曲面离轴光学系统像差理论体系、推进偏振空间光学系统应用具有重要的应用价值。未来可为我国光刻机、天文观测、地球遥感等重大工程领域中的光学系统设计提供支撑，为解决“掐脖子”技术提供理论指导。