CN101644603B - 基于数字微镜阵列景象的大视场宽波段仿真光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字微镜阵列DMD景象的大视场宽波段仿真光学系统，属于动态景象地面仿真设备技术领域，其特征包括DMD景象生成系统和目标仿真准直光学系统，具体由一个照明光源模块、DMD景象生成系统、长工作距离大视场宽波段消色差系统和一个类对称中继系统组成。该系统保证了60°大视场的平行光出射；又满足系统出瞳与被检系统入瞳相匹配，可避免系统外杂光干扰，且入瞳直径满足被检系统探测灵敏度的功能检测；该系统具有较长工作距离以满足照明光路中TIR棱镜的引入；系统由DMD芯片生成动态仿真景象，通过大视场宽波段光学系统与被检测系统构成一视场、光瞳都完全匹配的共轭成像关系，在地面上实现被检系统对空间目标识别与跟踪半物理仿真的功能验证。

Description

基于数字微镜阵列景象的大视场宽波段仿真光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术，特别是一种适用于检测大视场可见近红外宽波段成像系统的动态目标识别与跟踪能力的大视场宽波段仿真光学系统。

背景技术

大视场可见近红外宽波段成像系统用于空间目标动态识别与跟踪是一个全新的，也是现在世界各国积极研究的领域，在空间进行目标动态识别与跟踪对空间目标搜索与定位的意义重大。

为保证大视场可见近红外宽波段成像系统试验的完备性和空间运行的可靠性，有必要对该系统单机进行多种试验验证，其中包括单机的功能验证，在空间环境下交班的动态模拟，目标识别，近程逼近等试验。为使该单机能够在逼近真实空间环境下对目标的搜索判断，提高仿真试验的可信度和整星空间运行的成功率，研制半实物仿真用的光学目标模拟器是必要的。

大视场宽波段目标光学特性模拟器是大视场可见近红外宽波段空间成像系统开展半物理仿真实验的地面配套设备之一，用于在实验室条件下动态模拟符合该系统输入要求的空间目标及背景的光度学、辐射及运动特性，模拟结果作为被测量目标由大视场可见光探测系统进行搜索、捕获、跟踪和测量。与大视场可见近红外宽波段光学系统相匹配的目标仿真大视场宽波段光学系统，既需要满足系统视场的匹配要求，又需要满足系统分辨率以及系统光瞳匹配的要求。

要进行空间目标仿真，则需要设计以满足视场、光瞳匹配以及分辨率要求的大视场宽波段目标仿真光学系统。

可见近红外宽波段大视场相机由光学镜头、图像传感器、信号处理等模块组成。其观察视场为50°×30°，光学系统采用60°的圆视场覆盖。

发明内容

基于上述仿真需求，本发明的目的是通过设计一大视场宽波段目标仿真光学系统，实现大视场宽波段景象目标的动态仿真图像的准直，供大视场宽波段光探测系统进行目标识别与跟踪。在地面上实现空间目标识别与跟踪的半物理仿真。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供一大视场宽波段准直光学系统，主要包含以下四个部分组成如图1所示：一个照明光源光学系统100、数字微镜阵列(简称DMD)景象生成系统200、长工作距离大视场宽波段消色差系统300和一个类对称中继系统400。其中，由长工作距大视场宽波段消色差系统300和一个类对称中继系统400组成仿真景象目标的准直投影。

大视场宽波段消色差系统和一个中继系统系统组成的准直光学系统的设计，由初级像差理论确定光学系统的结构参数，再优化高级像差，两系统分别独立消像差，最终得到一大视场宽波段准直光学系统的光学结构。从物方至像方共由21片透镜组成，按顺序由两组301-310镜片组和401-411镜片组组成。412为窗口片，可以使用不同衰减率的窗口片实现投影信号能量的强弱。该准直系统设计采用逆向光路追迹，其中401-411镜片组，起中继平行光的作用，使得大视场宽波段消色差系统300的系统出瞳通过类中继系统400映射至系统外，以实现500系统出瞳与被检测系统入瞳的匹配；结合301-310镜片组的准直投影功能，使整个准直系统即可以保证60°大视场的平行光出射又可以满足系统光通与被检测大视场宽波段成像系统的光瞳相匹配。整个系统视场、光瞳都完全匹配时，构成一组完全匹配共轭的成像关系，则可以实现大视场宽波段景象目标的动态仿真图像，由大视场宽波段探测系统进行目标识别与跟踪。在地面上实现空间目标识别与跟踪的半物理仿真。

系统出瞳在系统外的准直光学系统，能够与被检测大视场可见近红外宽波段探测系统的入瞳完全匹配，可以实现不受系统外杂散光的干扰，照明光源模块100由照明光源与光学系统110和TIR棱镜120组成。使用照明光源模块100为DMD动态景象显示模块200提供照明，被照明的DMD芯片显示动态景象经由长工作距大视场宽波段消色差系统300和一个类对称中继系统400实现准直投影。最终为大视场宽波段探测系统所探测，以验证其目标识别与跟踪的功能。

本发明的优点是：

1.该系统通过采用长工作距大视场宽波段消色差系统300和一个类对称中继系统400，构成一个能够匹配大视场可见近红外宽波段光探测系统60°光学视场的平行光准直系统。系统的视场可以满足检测大视场可见近红外宽波段探测视场的功能；

2.采用数字微镜阵列DMD景象生成系统作为景象仿真目标源，具有刷新频率高、可编程控制等优点，其需要配套的照明光源与照明光学系统，因此需要大视场宽波段消色差系统300具有较长的工作距离已满足照明光路的引入，本系统则具有较长工作距离以满足TIR棱镜的安装。

3.该系统的出瞳在整个系统外，可以满足系统的出瞳和大视场宽波段探测系统光学入瞳相匹配，可以实现不受系统外杂散光的干扰，并且入瞳直径满足检测大视场宽波段探测系统探测灵敏度的功能。

附图说明

图1为本发明的大视场宽波段仿真光学系统结构示意图；

图中：100为仿真光学系统的照明光源模块；

110为照明光源与光学系统；

120为TIR棱镜；

200为DMD动态景象显示模块；

300为长工作距离大视场宽波段消色差系统；

400为类对称中继系统；

R3011为300镜片组的第一镜片301负透镜的前表面曲率半径；

R3012为300镜片组的第一镜片301负透镜的后表面曲率半径；

R3021为300镜片组的第二镜片302正透镜的前表面曲率半径；

R3022为300镜片组的第二镜片302正透镜的后表面曲率半径；

R3031为300镜片组的第三镜片303正透镜的前表面曲率半径；

R3032为300镜片组的第三镜片303正透镜的后表面曲率半径；

R3041为300镜片组的第四镜片304负透镜的前表面曲率半径；

R3042为300镜片组的第四镜片304负透镜的后表面曲率半径；

R3051为300镜片组的第五镜片305正透镜的前表面曲率半径；

R3052为300镜片组的第五镜片305正透镜的后表面曲率半径；

R3061为300镜片组的第六镜片306正透镜的前表面曲率半径；

R3062为300镜片组的第六镜片306正透镜的后表面曲率半径；

R3071为300镜片组的第七镜片307负透镜的前表面曲率半径；

R3072为300镜片组的第七镜片307负透镜的后表面曲率半径；

R3081为300镜片组的第八镜片308正透镜的前表面曲率半径；

R3082为300镜片组的第八镜片308正透镜的后表面曲率半径；

R3091为300镜片组的第九镜片309负透镜的前表面曲率半径；

R3092为300镜片组的第九镜片309负透镜的后表面曲率半径；

R3101为300镜片组的第十镜片310负透镜的前表面曲率半径；

R3102为300镜片组的第十镜片310负透镜的后表面曲率半径；

R4011为400镜片组的镜片A401正透镜的前表面曲率半径；

R4012为400镜片组的镜片A401正透镜的后表面曲率半径；

R4021为400镜片组的镜片B402正透镜的前表面曲率半径；

R4022为400镜片组的镜片B402正透镜的后表面曲率半径；

R4031为400镜片组的镜片C403负透镜的前表面曲率半径；

R4032为400镜片组的镜片C403负透镜与镜片D404正透镜胶合面曲率半径；

R4042为400镜片组的镜片D404正透镜的后表面曲率半径；

R4051为400镜片组的镜片E405正透镜的前表面曲率半径；

R4052为400镜片组的镜片E405正透镜的后表面曲率半径；

R4061为400镜片组的镜片F406正透镜的前表面曲率半径；

R4062为400镜片组的镜片F406正透镜的后表面曲率半径；

R4071为400镜片组的镜片G407正透镜的前表面曲率半径；

R4072为400镜片组的镜片G407正透镜的后表面曲率半径；

R4081为400镜片组的镜片H408正透镜的前表面曲率半径；

R4082为400镜片组的镜片H408正透镜与镜片I409负透镜的胶合面曲率半径；

R4092为400镜片组的镜片I409负透镜的后表面曲率半径；

R4101为400镜片组的镜片J410正透镜的前表面曲率半径；

R4102为400镜片组的镜片J410正透镜的后表面曲率半径；

R4111为400镜片组的镜片K411正透镜的前表面曲率半径；

R4112为400镜片组的镜片K411正透镜的后表面曲率半径；

412为系统窗口片。

具体实施方式

下面结合附图和实施进一步对本发明作详细阐述，系统构成的具体实现见图1。图1中一大视场可见近红外宽波段目标仿真光学系统，其视场为60°平行光大视场出射，实现大视场宽波段景象目标的动态仿真图像的准直。由初级像差理论确定光学系统的结构参数，再优化高级像差，最终得到大视场宽波段消色差系统300的光学结构。全部选用对可见近红外光均可以透过的光学材料，共由10片透镜组成，从光源侧依次为：材料ZF50的第一镜片301为负透镜、材料ZK6的第二镜片302为正透镜、材料LAF5的第三镜片303为正透镜、材料ZF50的第四镜片304为负透镜、材料NLAK18的第五镜片305为正透镜、材料NLAK18的第六镜片306为正透镜、材料ZF50的第七镜片307为负透镜、材料ZF4的第八镜片308为正透镜、材料ZK6的第九镜片309为负透镜与材料ZK9的第十镜片310为负透镜。400为类对称中继系统，它由两组双胶合共11片透镜组成，由于该系统是近似但不完全对称的结构，起到改变平行光出射方向的作用，并增大大视场宽波段消色差系统300后工作距的作用，以便于引入TIR棱镜实现系统照明。从光源侧依次为：材料ZK9镜片A401为正透镜、材料ZF4镜片的镜片B402的为正透镜、材料ZF4镜片C403负透镜和材料K9镜片D404正透镜组成一负胶合透镜组、材料ZF5的镜片E405为正透镜、材料K9的镜片F406为正透镜、材料ZF5的镜片G407为正透镜、材料K9镜片H408正透镜和材料ZF4镜片I409负透镜组成一负胶合透镜组、材料ZF4的镜片J410为正透镜、材料ZK9镜片K411为正透镜。材料K9的窗口412起到系统能量调节作用。

整个系统由照明光源光学系统100提供照明、投射到DMD景象生成系统200，经由DMD生成仿真景象，经由TIR棱镜，再由长工作距离大视场宽波段消色差系统300和一个类对称中继系统400构成的准直光学系统，生成仿真景象目标的准直投影，最终用于大视场可见近红外宽波段探测系统的功能检验。以半物理仿真的形式验证其在地面上对目标识别与跟踪的能力。以保证其将来在空间实际应用的需求。

根据图1中的大视场宽波段目标模拟光学系统结构，设计大视场宽波段目标模拟光学系统，像质衍射极限。系统技术指标如下：

入瞳直径：12mm；

焦距：17.6mm；

F数：1.47；

视场：60°；

工作波长：0.44μm-0.85μm；

光学系统的具体设计参数如表1所示。

表1

Claims (2)

1.一种基于数字微镜阵列景象的大视场宽波段仿真光学系统，它由照明光源模块(100)、数字微镜阵列景象生成系统(200)、长工作距离大视场宽波段消色差系统(300)和类对称中继系统(400)组成，其特征在于：照明光源模块(100)由照明光源与光学系统(110)和TIR棱镜(120)组成；长工作距离大视场宽波段消色差系统(300)具有满足照明光路中引入TIR棱镜的长工作距离，长工作距离大视场宽波段消色差系统(300)和类对称中继系统(400)组成一个保证60°大视场的平行光出射仿真景象目标的准直投影光学系统；所述的准直投影光学系统的出瞳位于和大视场宽波段探测系统光学入瞳相匹配的系统外的像方空间；

大视场宽波段消色差系统(300)的光学结构全部选用对可见近红外光均透过的光学材料，共由10片透镜组成，从光源侧依次为：材料ZF50的第一镜片(301)为负透镜，材料ZK6的第二镜片(302)为正透镜，材料LAF5的第三镜片(303)为正透镜，材料ZF50的第四镜片(304)为负透镜，材料NLAK18的第五镜片(305)为正透镜，材料NLAK18的第六镜片(306)为正透镜，材料ZF50的第七镜片(307)为负透镜，材料ZF4的第八镜片(308)为正透镜，材料ZK6的第九镜片(309)为负透镜，材料ZK9的第十镜片(310)为负透镜；类对称中继系统(400)由两组双胶合共11片透镜组成，由于该系统是近似但不完全对称的结构，起到改变平行光出射方向的作用，并增大大视场宽波段消色差系统(300)后工作距的作用，以便于引入TIR棱镜实现系统照明，从光源侧依次为：材料ZK9镜片A(401)为正透镜，材料ZF4镜片B的镜片(402)为正透镜，材料ZF4镜片C(403)负透镜和材料K9镜片D(404)正透镜组成一负胶合透镜组，材料ZF5的镜片E(405)为正透镜，材料K9的镜片F(406)为正透镜，材料ZF5的镜片G(407)为正透镜，材料K9镜片H(408)正透镜和材料ZF4镜片I(409)负透镜组成一负胶合透镜组，材料ZF4的镜片J(410)为正透镜，材料ZK9镜片K(411)为正透镜，材料K9的窗口(412)起到系统能量调节作用。

2.根据权利要求1所述的基于数字微镜阵列景象的大视场宽波段仿真光学系统，其特征在于：所述的长工作距离大视场宽波段消色差系统(300)和类对称中继系统(400)由21片球面透镜组成。

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