CN104102018B - 双小凹局部高分辨率成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含液晶空间光调制器(SLM)的局部高分辨光学系统，属于光学仪器技术领域。该系统包含弯月透镜，分光棱镜，液晶空间光调制器(SLM)，双凸透镜以及探测器像面。系统是一种大视场局部高分辨的光学系统，采用反射式的液晶空间光调制器同时对两个不同视场的残余像差进行动态相位补偿，利用分光棱镜对光路进行90°的折转。本发明结构简单，光学元件数量少，可达到40°的扫描视场，并且在能够对视场范围内的任意两个视场同时高分辨率成像，其余视场低分辨率成像。可广泛应用于目标探测识别等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学系统，属于探测识别光学仪器技术领域中的一种大视场局部高分辨率光学系统。
背景技术
进入21世纪，在军用和民用的许多成像领域中，比如航空航天侦察、生产监视、威胁探测和追踪、无人机远程遥控等领域中，对态势感知、目标识别的要求越来越高，而大视场局部高分辨的成像系统可以满足足够目标细节的成像要求。
目前常采用的获得大视场高分辨率的方法是减小入瞳直径或引入特殊光学元件，但是以上方法会降低像面光照度或者增加系统的复杂程度，基于以上问题，提出既可以为可疑目标探测实现大视场的全局成像，又可以为目标细节的辨别实现局部高分辨率的小凹成像系统。
目前普遍的小凹成像系统是针对一个固定的视场进行高分辨成像，其余视场低分辨率成像的光学系统。但是在探测领域中对于双目标的探测，上述小凹成像系统不能满足要求。
与本发明最为接近的已有技术为David V.Wick等人提出的基于液晶空间光调制器的宽视场成像系统，该光学系统光源是波长为633nm的单色偏振光，视场角为60°，F数为7.7，焦距为27mm，可针对一个视场实现高分辨率成像，其余视场低分辨率成像，但该系统包含光学元件过多。
为了克服上述缺点，特设计一种双小凹局部高分辨率成像光学系统，可适用于较大视场范围的搜索，系统结构简单，并且在0°至40°视场范围内的任意两个视场同时获得接近衍射极限的调制传递函数(MTF)值。
发明内容
本发明的目的是解决双目标探测识别时局部高分辨成像的问题，提出一种双小凹局部高分辨率成像系统。
本发明是一种含液晶空间光调制器(SLM)的局部高分辨光学系统，其包括一个弯月透镜(1)，一个分光棱镜(2)，一个液晶空间光调制器(3)，一个双凸透镜(4)以及探测器像面(5)。光线传播过程为无穷远光线首先单色波长光线经过上述弯月透镜(1)，进入分光棱镜(2)，光线透射进入液晶空间光调制器(3)，经SLM(3)反射后再次进入分光棱镜(2)，经分光棱镜(2)反射，经过双凸透镜(4)成像在探测器像面(5)上。
本发明的具体设计方法如下：
系统中液晶空间光调制器(SLM)的作用是位相调制，设计时采用了CODE V中面型衍射属性的XY相位多项式对波前像差进行拟合和校正，模拟SLM引入的相位补偿。通过控制不同视场的权重，合理优化多项式的系数，与以往的针对单一视场进行位相调制不同，本发明中SLM(5)需对两个不同的视场同时进行入射波位相调制，则要求被调制的视场的波前误差均处在可调制的动态范围内，同时对SLM对光线的入射角的要求和系统口径不宜过大等条件的考虑，设计时选择系统视场为0°至40°的正视场范围。
为了保证局部高分辨率，在SLM(5)对两个不同视场同时位相调制的状态下，F数若太小，会导致光学系统口径过大，体积过大；若F数太大，会导致探测器像面照度过低，系统焦距过长，因此本发明采用了F数为11进行系统设计。
为了满足SLM表面对入射角度的要求，本发明前端采用一个弯月形负透镜(1)将光线的入射角减小。
为了减小系统的长度，本发明在液晶空间光调制器(3)后使用了分光棱镜(2)对光线进行90°的折转，分光棱镜(2)能有效的减小系统的长度，保证了其他光学元件和探测器的预留空间，并增加了可用的视野。
通过以上设计方法，本发明的一种双小凹局部高分辨成像系统可适用于视场为40°范围的扫描视场，系统结构简单，长度短，并且可在两个视场处同时获得接近衍射极限的调制传递函数(MTF)值，其余视场低分辨率成像，如图3。
附图说明
图1是已有技术的结构示意图；
图中：1—窗口，2—偏振器，3—窄带滤波器(633nm)，4—分光棱镜，6—液晶空间光调制(SLM)，7—CCD像面
图2是本发明实施例的结构示意图；
图中：1—弯月透镜，2—分光棱镜，3—液晶空间光调制器(SLM)，4—双凸透镜，5—探测器像面
图3是本发明实例的调制传递函数(MTF)曲线
图中：蓝色线代表12°视场时MTF曲线，褐色线代表20°视场时MTF曲线，两条曲线均接近衍射极限
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例如图2所示，本发明将可广泛应用于威胁探测，目标识别等领域中。
如图1所示，本发明是本发明是一种含液晶空间光调制器(SLM)的局部高分辨光学系统，其包括一个弯月透镜(1)，一个分光棱镜(2)，一个液晶空间光调制器(3)，一个双凸透镜(4)以及探测器像面(5)。
实施例中，无穷远目标发射的光线依次经过上述弯月透镜(1)，进入分光棱镜(2)，光线透射进入液晶空间光调制器(3)，经SLM(3)反射后再次进入分光棱镜(2)，经分光棱镜(2)反射，经过双凸透镜(4)成像在探测器像面(5)上，得到最后的像。
本实施例为参考波长wave＝587.6nm，系统F数F#＝11，视场为0°—40°成像，焦距f’＝30mm的局部高分辨的光学系统。
本实施例中，弯月透镜(1)用于减小到达液晶空间光调制器的的入射光线的角度；采用分光棱镜(2)来实现光路的90°折转，缩短系统长度。
本实施例中，由于液晶空间光调制器(5)需针对两个视场像差校正，采用了CODE V中面型衍射属性的XY相位多项式对波前像差进行拟合和校正，模拟SLM引入的相位补偿。通过控制不同视场的权重，合理优化多项式的系数,得到在本发明视场范围内的任意两个视场能够同时高分辨率成像。
实施例中透镜具体参数如表1所示。
本实施例中，液晶空间光调制器(SLM)(3)选用美国BNS公司的XY相位多项式SLM。
本实施例中，采用液晶空间光调制器(3)对两个不同的视场同时进行位相调制，主要有如下优点：
在两个视场处可同时获得接近衍射极限的调制传递函数(MTF)值，实现高分辨率成像，其余视场低分辨率成像。
视场范围为0°至40°，可适用于较大视场范围的搜索成像。
由于本发明中液晶空间光调制器(5)需针对两个视场像差校正，在本发明视场范围内的任意两个视场能够同时高分辨率成像。
表1(单位mm)
Claims (6)
1.一种含液晶空间光调制器(SLM)的局部高分辨光学系统，其特征在于一个弯月透镜(1)，一个分光棱镜(2)，一个液晶空间光调制器(SLM)(3)，一个双凸透镜(4)以及像面(5)，采用了CODE V中面型衍射属性的XY相位多项式对波前像差进行拟合和校正，模拟液晶空间光调制器(SLM)(3)引入的相位补偿，通过控制不同视场的权重，合理优化多项式的系数，实现视场范围内两个视场高分辨率成像，其余视场低分辨率成像的局部高分辨光学系统，光线传播过程为无穷远单色波长的光线经过上述弯月透镜(1)，进入分光棱镜(2)，光线透射进入液晶空间光调制器(SLM)(3)，经液晶空间光调制器(SLM)(3)反射后再次进入分光棱镜(2)，经分光棱镜(2)反射，经过双凸透镜(4)成像在像面(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种含液晶空间光调制器(SLM)的局部高分辨光学系统，其特征在于：所述的弯月透镜(1)与分光棱镜(2)之间的空气间隔为670毫米，分光棱镜(2)与液晶空间光调制器(SLM)(3)之间的空气间隔为5毫米，分光棱镜(2)与双凸透镜(4)之间的空气间隔为5毫米。
3.根据权利要求1所述的一种含液晶空间光调制器(SLM)的局部高分辨光学系统，其特征在于：所述的弯月透镜(1)的厚度为21毫米，所述的分光棱镜(2)的厚度为25毫米，所述的双凸透镜(4)的厚度为5.8毫米。
4.根据权利要求1所述的一种含液晶空间光调制器(SLM)的局部高分辨光学系统，其特征在于：系统中的液晶空间光调制器(SLM)(3)需针对两个视场像差校正，0°至40°正视场范围内的任意两个视场能够同时高分辨率成像，其余视场低分辨率成像。
5.根据权利要求1所述的一种含液晶空间光调制器(SLM)的局部高分辨光学系统，其特征在于：弯月透镜(1)的引用是为了减小到达液晶空间光调制器(SLM)(3)的入射光线的角度；采用分光棱镜(2)来实现光路的90°折转，缩短系统长度。
6.根据权利要求1所述的一种含液晶空间光调制器(SLM)的局部高分辨光学系统，其特征在于该系统的设计方法如下：
1)系统中液晶空间光调制器(SLM)(3)的作用是相位调制，设计时采用了CODE V中面型衍射属性的XY相位多项式对波前像差进行拟合和校正，模拟液晶空间光调制器(SLM)(3)引入的相位补偿，通过控制不同视场的权重，合理优化多项式的系数，与以往的针对单一视场进行位相调制不同，系统中液晶空间光调制器(SLM)(3)需对两个不同的视场同时进行入射波相位调制，则要求被调制的视场的波前误差均处在可调制的动态范围内，同时对液晶空间光调制器(SLM)(3)对光线的入射角的要求和系统口径不宜过大的两个条件的考虑，设计时选择系统视场为0°至40°的正视场范围；
2)为了保证局部高分辨率，在液晶空间光调制器(SLM)(3)对两个不同视场同时相位调制的状态下，若F数太小，会导致光学系统口径过大，体积过大；若F数太大，会导致像面照度过低，系统焦距过长，因此采用了F数为11进行系统设计；
3)为了满足液晶空间光调制器(SLM)(3)表面对入射角度的要求，光学系统前端采用一个弯月形负透镜(1)将光线的入射角减小；
4)为了减小系统的长度，在液晶空间光调制器(SLM)(3)后使用了分光棱镜(2)对光线进行90°的折转，分光棱镜(2)能有效的减小系统的长度，保证了其他光学元件和探测器的预留空间，并增加了可用的视野。
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