CN108445619A - 光学扫描系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及高速扫描成像技术领域，具体而言，涉及一种光学扫描系统及方法。该光学扫描系统包括：视场光阑、场镜、补偿透镜、透镜组件、转镜和像面。场镜设置于视场光阑的一侧，补偿透镜设置于场镜远离所述视场光阑的一侧，其中，补偿透镜用于对通过该补偿透镜的光进行补偿，透镜组件设置于补偿透镜远离场镜的一侧，转镜设置于透镜组件远离补偿透镜的一侧，发光件发射的光路依次通过视场光阑、场镜、补偿透镜、透镜组件照射到所述转镜，并通过所述转镜反射到像面。该光学扫描系统能够提高光学扫描系统的动态成像质量。
Description
技术领域
本发明实施例涉及高速扫描成像技术领域，具体而言，涉及一种光学扫描系统及方法。
背景技术
转镜式高速扫描相机一种基于转镜扫描的光机测量设备，用于研究快速过程某些特定方向的空间位置随时间变化的规律，从而得到该过程在这一特定方向上的运动轨迹。转镜式高速相机具有空间分辨率高、记录时间长等特点，一直是核武器、常规武器、高新技术武器及其它领域实验研究的重要手段之一，不仅广泛用于炸药爆轰参数、冲击波速度、核武器初级及常规武器战斗部的膨胀断裂、微物质喷射、飞片和破片的速度等测量，而且在弹道学、高压火花放电、物质的分解与合成、瞬态光谱分析、高速碰撞与安全防护等研究中应用广泛。转镜部件作为此类相机的核心部件，决定了相机的扫描速度和成像质量等主要指标性能，现有的大多转镜式高速扫描相机的动态成像质量较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光学扫描系统及方法，能够提高转镜式高速扫描相机的动态成像质量。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种光学扫描系统，包括：视场光阑、场镜、补偿透镜、透镜组件、转镜和像面；
所述场镜设置于所述视场光阑的一侧；
所述补偿透镜设置于所述场镜远离所述视场光阑的一侧；其中，所述补偿透镜用于对通过该补偿透镜的光进行补偿；
所述透镜组件设置于所述补偿透镜远离所述场镜的一侧；
所述转镜设置于所述透镜组件远离所述补偿透镜的一侧；
发光件发射的光路依次通过所述视场光阑、所述场镜、所述补偿透镜、所述透镜组件照射到所述转镜，并通过所述转镜反射到所述像面。
可选地，所述场镜的法线、所述补偿透镜的法线和所述透镜组件的法线位于同一直线。
可选地，所述场镜为弯月形负透镜。
可选地，所述视场光阑为单狭缝。
可选地，所述视场光阑为多条平行的多狭缝。
可选地，所述补偿透镜为柱面负透镜。
可选地，所述透镜组件为中继透镜组。
可选地，所述转镜为钢转镜。
可选地，所述钢转镜的转速范围为6×104r/min～3×105r/min。
本发明实施例还提供了一种光学扫描方法，应用于上述光学扫描系统，所述方法包括：
根据转镜的转速选择对应焦距的补偿透镜，将所述补偿透镜设置于场镜和透镜组件之间；
采用发光件进行发光，其中，所述发光件发出的光依次通过视场光阑、所述场镜、所述补偿透镜、所述透镜组件反射到所述转镜；
采用像面获取所述转镜反射的光。
本发明实施例提供的光学扫描系统及方法，补偿透镜可以对通过该补偿透镜的光进行补偿，提高了光学扫描系统的动态成像质量。
进一步地，根据转镜的转速选取对应焦距的补偿透镜进行补偿，能够准确地对光路进行补偿，进一步提高光学扫描系统的动态成像质量。
进一步地，视场光阑包括线视场(单狭缝)和面视场(多狭缝)，可根据实际需求选取不同的视场类型，提高了光学扫描系统的应用范围。
进一步地，在该光学扫描系统中加入了场镜，使得本发明的光学扫描系统能够更加容易与其他成像系统匹配成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种光学扫描系统的结构示意图。
图2为本发明实施例所提供的一种转镜的结构示意图。
图3为本发明实施例所提供的未加入补偿透镜且转镜静止不动时的光学系统结构图。
图4为本发明实施例所提供的未加入补偿透镜且转镜静止不动时的MTF曲线图。
图5为本发明实施例所提供的未加入补偿透镜且转镜静止不动时的光学系统点列图。
图6为本发明实施例所提供的未加入补偿透镜且转镜转速为3×105r/min时的光学系统MTF曲线图。
图7为本发明实施例所提供的未加入补偿透镜且转镜转速为3×105r/min时的光学系统点列图。
图8为本发明实施例所提供的加入补偿透镜之后的光学系统结构图。
图9为本发明实施例所提供的加入补偿透镜且转镜转速为3×105r/min时的光学系统MTF曲线图。
图10为本发明实施例所提供的加入补偿透镜且转镜转速为3×105r/min时的光学系统点列图。
图标：100-光学扫描系统；1-视场光阑；2-场镜；3-补偿透镜；4-透镜组件；5-转镜；6-像面。
具体实施方式
转镜式高速扫描相机一种基于转镜扫描的光机测量设备，用于研究快速过程某些特定方向的空间位置随时间变化的规律，从而得到该过程在这一特定方向上的运动轨迹。转镜式高速相机具有空间分辨率高、记录时间长等特点，一直是核武器、常规武器、高新技术武器及其它领域实验研究的重要手段之一，不仅广泛用于炸药爆轰参数、冲击波速度、核武器初级及常规武器战斗部的膨胀断裂、微物质喷射、飞片和破片的速度等测量，而且在弹道学、高压火花放电、物质的分解与合成、瞬态光谱分析、高速碰撞与安全防护等研究中应用广泛。转镜部件作为此类相机的核心部件，决定了相机的扫描速度和成像质量等主要指标性能。
发明人经调查和研究发现，现有的大多转镜式高速扫描相机的动态成像质量较差。经分析和试验发现，转镜在以较高转速旋转时，镜面会产生类似于柱面的变形，转速越高，变形也越大。由于转镜式高速扫描相机的特点是以转镜作为孔径光阑，根据光学原理，由于转镜远离像面，转镜表面的微小变形对光学系统的成像质量具有重大影响，这一特性在很大程度上降低了相机的成像质量，影响到测试结果精度，严重限制了转镜扫描相机的应用范围。
原则上说，转镜扫描相机的动态分辨率应不低于15lp/mm，对于应用最多的钢制转镜(外形尺寸25mm×23.6mm×8mm)，当转速为1.5×105r/min时，转镜面的动态分辨率为12lp/mm，成像质量已下降到只是勉强能够使用的程度，当转速为3×105r/min时，转镜面的动态分辨率仅为3lp/mm～4lp/mm，从而导致时间分辨率显著下降。因此，钢转镜对于需要在1.5×105r/min以上转速记录的物理实验需求已无能为力。
目前，针对转镜扫描相机减小或补偿转镜变形的方法可以采用铍转镜，但铍转镜的制作工艺复杂，工艺性较差，且在研磨过程中产生的粉尘存在剧毒，对人体和自然环境造成潜在的危害，还存在高转速运行下可靠性较低的缺点。也可以采用采用改变转镜表面和内部结构、柱面负透镜等方式减小或补偿转镜变形，但改变转镜表面和内部结构的加工工艺复杂程度不亚于铍转镜的制作工艺，实际上很难实现。
以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。
基于上述研究，本发明实施例提供了一种光学扫描系统及方法，能够提高转镜式高速扫描相机的动态成像质量。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1示出了本发明实施例所提供的一种光学扫描系统100的结构示意图，由图可见，该光学扫描系统100包括视场光阑1、场镜2、补偿透镜3、透镜组件4、转镜5和像面6。
其中，场镜2设置于视场光阑1的一侧，场镜2紧贴视场光阑1，用于限制整个光学扫描系统100的成像范围，进一步地，视场光阑1可以为单狭缝(线视场)，也可以为多条平行的多狭缝(面视场)，如此设置，能够提高光学扫描系统100的成像范围以及范围可调性。
进一步地，请继续参阅图1，补偿透镜3设置于场镜2远离视场光阑1的一侧，其中，补偿透镜3用于对通过该补偿透镜的光进行补偿，可以理解，补偿透镜3对于提高动态成像质量起着重要作用，在本实施例中，补偿透镜可以为柱面负透镜，其中，根据转镜5的转速可以选择对应焦距的柱面负透镜设置于对应的位置，进而提高动态成像质量。可以理解，不同转速的转镜5匹配用的柱面补偿透镜，其焦距是不同的，在光学系统中的位置也有所变化。
透镜组件4设置于补偿透镜3远离场镜2的一侧，转镜5设置于透镜组件4远离补偿透镜3的一侧。
进一步地，场镜2的法线、补偿透镜3的法线和透镜组4的法线位于同一直线，请继续参阅图1，发光件发射的光路依次通过视场光阑1、场镜2、补偿透镜3、透镜组件4照射到转镜5，并通过转镜5反射到像面6。
在本实施例中，场镜2为弯月形负透镜，用于调整光学系统的入瞳和校正光学系统的轴外像差。透镜组件4为中继透镜组，转镜5位于中继透镜组和像面6之间，转镜5可视作孔径光阑，转镜5的另一个作用是：通过高速旋转，使得狭缝像在相机像面上连续扫描，得到被摄目标一维连续动态图像。
进一步地，上述光学扫描系统100也可以根据实际使用情况做相应元部件的增减，例如，若光学扫描系统100进行静态对象和照相时，可以不设置补偿透镜3，若光学扫描系统100进行动态照相时，转镜5会高速旋转，此时可以加入补偿透镜3进行补偿，进而提高动态成像质量。
图2示出了本发明实施例所提供的一种转镜的结构示意图，在本实施例中，转镜的外形尺寸可以是25mm×23.6mm×8mm，由图可见，当转镜静止不动时，转镜的外形呈正常状态；当转镜进行高速旋转时，转镜镜面会产生类似于柱面的变形。请继续参阅图2，由图可见，可以采用ansys软件模拟出转镜在各转速情况下的表面变形量δ/2，并通过公式r＝-a2/4δ计算出凹面半径，在Zemax软件中，凹面半径代替转镜平面，以柱面补偿透镜的位置、厚度、表面曲率半径和材料作为变量，其它光学部件的参数保持不变，进行优化设计，可以进行补偿效果分析。
本实施例还提供了多张补偿前后的各类示意图，用于对该光学扫描系统的补偿效果进行说明。
图3示出了本发明实施例所提供的未加入补偿透镜且转镜静止不动时的光学系统结构图，当转镜静止不动时，可以进行静态对象和照相，此时未在成像系统中加入补偿透镜。图4示出了发明实施例所提供的未加入补偿透镜且转镜静止不动时的MTF曲线图，由图4可见，该MTF曲线图走势平滑，没有波动和畸变，图5示出的光学系统点列图的成像质量也相对较高。这是由于转镜在没有旋转的情况下不会产生柱面形变，因此不会影响整个光学系统成像质量。
在本实施例中，取转镜的转速为3×105r/min进行分析，图5示出了本发明实施例所提供的未加入补偿透镜且转镜转速为3×105r/min时的光学系统MTF曲线图，由图可见，为加入补偿透镜前，MTF曲线呈现明显的波动和畸变，对应到图7的光学系统点列图可以看到，图7中的光学系统点列图成像质量差，五个点列图没有明显的特征区别。
针对上述情况，图8示出了本发明实施例所提供的加入补偿透镜之后的光学系统结构图，在加入了补偿透镜之后，整个光路得到补偿，如图9所示，MTF图的波动和畸变消除，对应到图10的光学系统列点图，成像质量较图8有明显改善，在转镜高速转动下能够保证较好的动态成像质量。由图9和图10可以看出，成像质量明显提高，补偿后的光学系统动态目视分辨率超过100lp/mm，大大优于未补偿的约3lp/mm。
基于上述说明，本发明实施例还提供了一种光学扫描方法，应用于上述光学扫描系统，该方法根据转镜的转速选择对应焦距的补偿透镜，将补偿透镜设置于场镜和透镜组件之间。采用发光件进行发光，其中，发光件发出的光束依次通过视场光阑、场镜、补偿透镜和透镜组件，然后照射到转镜。采用像面获取转镜反射的光束，由于光束是通过补偿透镜补偿之后的，因此光束通过转镜反射到像面上能够实现较好的成像质量。
综上，本发明实施例提供的光学扫描系统及方法，通过加入柱面负透镜，能够改善转镜在高速旋转时产生近似柱面变形而引起光学系统较大的光学像差(主要是像散)的问题，进而提高了成像质量和时间分辨率，为超快过程的精密物理实验的实现提供可能。
进一步地，根据转镜的转速选取对应焦距的补偿透镜进行补偿，能够准确地对光路进行补偿，进一步提高光学扫描系统的动态成像质量。
进一步地，视场光阑包括线视场(单狭缝)和面视场(多狭缝)，可根据实际需求选取不同的视场类型，提高了光学扫描系统的应用范围。
进一步地，在该光学扫描系统中加入了场镜，使得本发明的光学扫描系统能够更加容易与其他成像系统匹配成像。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光学扫描系统，其特征在于，包括：视场光阑、场镜、补偿透镜、透镜组件、转镜和像面；
所述场镜设置于所述视场光阑的一侧；
所述补偿透镜设置于所述场镜远离所述视场光阑的一侧；其中，所述补偿透镜用于对通过该补偿透镜的光进行补偿；
所述透镜组件设置于所述补偿透镜远离所述场镜的一侧；
所述转镜设置于所述透镜组件远离所述补偿透镜的一侧；
发光件发射的光路依次通过所述视场光阑、所述场镜、所述补偿透镜、所述透镜组件照射到所述转镜，并通过所述转镜反射到所述像面。
2.根据权利要求1所述的光学扫描系统，其特征在于，所述场镜的法线、所述补偿透镜的法线和所述透镜组件的法线位于同一直线。
3.根据权利要求1所述的光学扫描系统，其特征在于，所述场镜为弯月形负透镜。
4.根据权利要求1所述的光学扫描系统，其特征在于，所述视场光阑为单狭缝。
5.根据权利要求1所述的光学扫描系统，其特征在于，所述视场光阑为多条平行的多狭缝。
6.根据权利要求1所述的光学扫描系统，其特征在于，所述补偿透镜为柱面负透镜。
7.根据权利要求1所述的光学扫描系统，其特征在于所述透镜组件为中继透镜组。
8.根据权利要求1所述的光学扫描系统，其特征在于，所述转镜为钢转镜。
9.根据权利要求8所述的光学扫描系统，其特征在于，所述钢转镜的转速范围为6×104r/min～3×105r/min。
10.一种光学扫描方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一所述的光学扫描系统，所述方法包括：
根据转镜的转速选择对应焦距的补偿透镜，将所述补偿透镜设置于场镜和透镜组件之间；
采用发光件进行发光，其中，所述发光件发出的光依次通过视场光阑、所述场镜、所述补偿透镜、所述透镜组件照射到所述转镜；
采用像面获取所述转镜反射的光。
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