CN108490594A - 一种基于微纳光学表面的非对称反射光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于微纳光学表面的非对称反射光学系统，包括：投影器阵列、球面反射镜A、球面反射镜B、微纳光学表面复合器件、目标空间运动模拟装置和被测试光学探测装置；所述球面反射镜A和球面反射镜B背对背放置，所述微纳光学表面复合器件放置于球面反射镜A和球面反射镜B的共同焦平面上。本发明采用的非对称反射光学系统，充分发挥了微纳光学表面的性能优势，不再受透射波段的限制，可增加系统设置的灵活性，满足复杂背景光学辐射场景仿真的需求，实现光瞳定向复合。同时，利用了共心放置的球面反射镜系统，能够在整个宽工作光谱范围内消除色差，提高系统分辨率。

Description

一种基于微纳光学表面的非对称反射光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域。更具体地，涉及一种基于微纳光学表面的非对称反射光学系统。
背景技术
随着新一代光学成像探测装置的普及，多物体/宽波段的复杂目标及背景环境，对具有相应模拟能力的多光束复合半实物仿真系统提出了更加迫切的要求。此类光学目标半实物仿真系统中的复杂光学辐射场景光谱特性不同，且必须同时到达被测光学探测装置的入瞳处才能实现对新一代光学成像探测系统性能的考核，因此不可能用单个投影仪器来实现，必须采用多个投影模块组合的光学多孔径复合的方法。
我国自上世纪八十年代末开展了多目标/宽波段背景光学点源多光束复合系统的设计，完成了光瞳定向复合方法的研究，并实现了工程化应用。此类多孔径光学投影复合方法所采用的透射式复合光学系统，优点是易于设计，结构简单，但是其明显的缺点是能量利用率低和光学波段缺乏灵活性。复杂背景环境下多目标/宽波段复合需要的目标源较多，并且光线必须进入高精度高动态目标空间运动模拟装置，形成半实物仿真需要的视线角运动。因此应用于新一代光学探测装置测评的光学半实物仿真系统结构复杂、设备繁多，传统的透射式光学投影系统中光瞳定向复合方法的结构设置缺乏灵活性，无法满足多目标/宽波段的多孔径复杂环境模拟器应用，也已经不能满足新系统对于有限空间环境中复杂背景光学辐射场景仿真的需求。
因此，需要提供一种新的光学系统，以解决上述至少一个技术问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种基于微纳光学表面的非对称反射光学系统，以解决在空间有限的复杂环境模拟器中实现多目标/宽波段光学投影复合的问题。
本发明的另一个目的在于提供一种利用上述非对称反射光学系统实现光瞳定向复合的方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种基于微纳光学表面的非对称反射光学系统，包括：投影器阵列、球面反射镜A、球面反射镜B、微纳光学表面复合器件、目标空间运动模拟装置和被测试光学探测装置；所述球面反射镜A和球面反射镜B背对背放置，所述微纳光学表面复合器件放置于球面反射镜A和球面反射镜B的共同焦平面上；
其中，所述投影器阵列用于产生入射光束；所述球面反射镜A用于接收投影器阵列产生的入射光束，并投射给微纳光学表面复合器；所述微纳光学表面复合器件用于实现对光束的扩大；所述球面反射镜B用于接收扩大光束，完成扩大的光束的重合部分的反射并形成准直光束；所述目标空间运动模拟装置用于接收准直光束，并投射给被测试光学探测装置。
进一步，所述球面反射镜A、球面反射镜B和微纳光学表面复合器件均为球面反射镜形式，且共心放置。
进一步，所述投影器阵列包含多个投影器，各个投影器工作在可见至红外光区域的多波段/宽光谱范围内，所有投影器产生的入射光线都要通过球面反射镜A、球面反射镜B和微纳光学表面复合器件，再投射到目标空间运动模拟装置最终进入到被测试光学探测装置。
进一步，所述非对称反射光学系统即入瞳距Lin＜出瞳距Lout，横向放大率的绝对值β＝Lout/Lin＞1，保持入射球面反射镜A和出射球面反射镜B的法线方向反向平行，使入射光线和出射光线仍保持平行，允许少量失调而不影响定位精度。
在本发明中，所述入瞳距Lin、出瞳距Lout、入瞳口径Din和出瞳口径Dout根据现有技术常规方法确定，具体的，所述出瞳口径Dout及出瞳距Lout由被测光学探测装置以及目标空间运动模拟装置的参数确定；述入瞳口径Din和入瞳距Lin由投影器阵列参数及复杂环境模拟器的尺寸确定。
进一步，所述球面反射镜A和球面反射镜B的曲率半径R与球面反射镜A和球面反射镜B的焦距F的关系为R＝2F；球面反射镜A口径Φ1由投影器阵列的视场角ω投决定，其关系为Φ1＝Din+2Lintan(ω投/2)；球面反射镜B口径Φ2由被测装置的视场角ω被决定，其关系为Φ2＝Dout+2Louttan(ω被/2)。
进一步，为了有效消除像差，所述微纳光学表面复合器件为球面结构反射器件，曲率半径r为球面反射镜A和球面反射镜B的曲率半径R的一半；微纳光学表面复合器件的焦距f＝r/2。
进一步，所述微纳光学表面复合器件表面为密接球面微坑结构，尺寸较为复杂，由非对称反射光学系统横向放大率β、球面反射镜A和球面反射镜B的弥散角、投影器阵列分布圆直径和出瞳口径Dout参数共同决定。
本发明进一步提供了一种利用上述非对称反射光学系统实现光瞳定向复合的方法，包括以下步骤：所述投影器阵列产生入射光束，经过球面反射镜A接收，再经过微纳光学表面复合器件实现对光束的扩大，扩大光束的重合部分经过球面反射镜B反射，形成一束准直光束投射到目标空间运动模拟装置，再进入被测试光学探测装置，实现光瞳定向复合。
本发明的有益效果如下：
本发明采用的非对称远心光学系统(即入瞳距Lin＜出瞳距Lout)，充分发挥了微纳光学表面的性能优势，不再受透射波段的限制，可以十分方便地增加系统设置的灵活性，满足复杂背景光学辐射场景仿真的需求，实现光瞳定向复合。同时，利用了共心放置的球面反射镜系统，能够在整个宽工作光谱范围内消除色差，提高系统分辨率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出一种基于微纳光学表面的非对称反射光学系统的结构示意图。
附图中，1.球面反射镜A 2.球面反射镜B 3.微纳光学表面复合器件 4.投影器阵列 5.目标空间运动模拟装置 6.复杂环境模拟器 7.被测试光学探测装置
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于微纳光学表面的非对称反射光学系统，如图1所示，包括：投影器阵列4、球面反射镜A1、球面反射镜B2、微纳光学表面复合器件3、目标空间运动模拟装置5和被测试光学探测装置7；所述球面反射镜A1和球面反射镜B2背对背放置，所述微纳光学表面复合器件3放置于球面反射镜A1和球面反射镜B2的共同焦平面上；所述投影器阵列4用于产生入射光束；所述球面反射镜A1用于接收投影器阵列4产生的入射光束，并投射给微纳光学表面复合器件3；所述微纳光学表面复合器件3用于实现对光束的扩大；所述球面反射镜B2用于接收扩大光束，完成扩大光束的重合部分的反射形成准直光束；所述目标空间运动模拟装置5用于接收准直光束，并投射给被测试光学探测装置7。
本发明基于微纳光学表面的非对称反射光学系统为无焦光学系统，投影器阵列4包含多个投影器，各个投影器工作在可见至红外光区域的多波段/宽光谱范围内，该系统能够在的整个工作波段/光谱范围内消除色差，且具有良好的分辨率。进一步，所述非对称反射光学系统表现在系统的入瞳距Lin＜出瞳距Lout，横向放大率的绝对值β＝Lout/Lin＞1，保持入射球面反射镜A1和出射球面反射镜B2的法线方向反向平行，使入射光线和出射光线仍保持平行，允许少量失调而不影响定位精度。
在本发明中，所述入瞳距Lin、出瞳距Lout、入瞳口径Din和出瞳口径Dout根据现有技术常规方法确定，具体的，所述出瞳口径Dout及出瞳距Lout由被测光学探测装置以及目标空间运动模拟装置的参数确定；述入瞳口径Din和入瞳距Lin由投影器阵列参数及复杂环境模拟器的尺寸确定。
进一步，所述球面反射镜A1和球面反射镜B2的曲率半径R与球面反射镜A1和球面反射镜B2的焦距F的关系为R＝2F；球面反射镜A1口径Φ1由投影器阵列4的视场角ω投决定，其关系为Φ1＝Din+2Lintan(ω投/2)；球面反射镜B2口径Φ2由被测装置的视场角ω被决定，其关系为Φ2＝Dout+2Louttan(ω被/2)。
进一步，为了有效消除像差，微纳光学表面复合器件3为球面结构反射器件，曲率半径r为球面反射镜A1和球面反射镜B2的曲率半径R的一半；微纳光学表面复合器件3的焦距f＝r/2。
进一步，所述微纳光学表面复合器件3表面为密接球面微坑结构，尺寸较为复杂，由非对称远心光学系统横向放大率β、球面反射镜弥散角、投影器阵列4分布圆直径和系统出瞳口径Dout参数共同决定。
本发明利用上述非对称反射光学系统实现光瞳定向复合的方法，包括以下步骤：无限远处的投影器阵列4产生入射光束，经过球面反射镜A1接收，再经过微纳光学表面复合器件3实现对光束的扩大，扩大光束的重合部分经过球面反射镜B2反射，形成一束准直光束投射到目标空间运动模拟装置，5，再进入被测试光学探测装置，实现光瞳定向复合。
在使用本发明非对称反射光学系统时，球面反射镜A1和球面反射镜B2、微纳光学表面复合器件3共心放置，投影器阵列4位于整个非对称反射光学系统的入瞳处。根据上述关系确定球面反射镜A1、球面反射镜B2、微纳光学表面复合器件3、投影器阵列4和目标空间运动模拟装置5的属性和相对位置，调节光路，实现在基于微纳光学表面的非对称反射光学系统中光瞳定向复合。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种基于微纳光学表面的非对称反射光学系统，其特征在于，包括：投影器阵列、球面反射镜A、球面反射镜B、微纳光学表面复合器件、目标空间运动模拟装置和被测试光学探测装置；所述球面反射镜A和球面反射镜B背对背放置，所述微纳光学表面复合器件放置于球面反射镜A和球面反射镜B的共同焦平面上；
其中，所述投影器阵列用于产生入射光束；所述球面反射镜A用于接收投影器阵列产生的入射光束，并投射给微纳光学表面复合器件；所述微纳光学表面复合器件用于实现对光束的扩大；所述球面反射镜B用于接收扩大光束，完成扩大光束的重合部分的反射形成准直光束；所述目标空间运动模拟装置用于接收准直光束，并投射给被测试光学探测装置。
2.根据权利要求1所述的非对称反射光学系统，其特征在于，所述球面反射镜A、球面反射镜B和微纳光学表面复合器件均为球面反射镜形式，且共心放置。
3.根据权利要求1所述的非对称反射光学系统，其特征在于，所述非对称反射光学系统的入瞳距Lin＜出瞳距Lout，横向放大率的绝对值β＝Lout/Lin＞1。
4.根据权利要求1所述的非对称反射光学系统，其特征在于，所述投影器阵列包含多个投影器，各个投影器工作在可见至红外光区域的多波段/宽光谱范围内。
5.根据权利要求1所述的非对称反射光学系统，其特征在于，所述球面反射镜A和球面反射镜B的曲率半径R与球面反射镜A和球面反射镜B的焦距F的关系为R＝2F；球面反射镜A口径Φ1由投影器阵列的视场角ω投决定，其关系为Φ1＝Din+2Lintan(ω投/2)；球面反射镜B口径Φ2由被测装置的视场角ω被决定，其关系为Φ2＝Dout+2Louttan(ω被/2)。
6.根据权利要求1所述的非对称反射光学系统，其特征在于，所述微纳光学表面复合器件的曲率半径r为球面反射镜A和球面反射镜B的曲率半径R的一半；微纳光学表面复合器件的焦距f＝r/2。
7.根据权利要求1所述的非对称反射光学系统，其特征在于，所述微纳光学表面复合器件表面为密接球面微坑结构。
8.一种利用权利要求1-7任一所述的非对称反射光学系统实现光瞳定向复合的方法，其特征在于，包括以下步骤：所述投影器阵列产生入射光束，经过球面反射镜A接收，再经过微纳光学表面复合器件实现对光束的扩大，扩大光束的重合部分经过球面反射镜B反射，形成一束准直光束投射到目标空间运动模拟装置，再进入被测试光学探测装置，实现光瞳定向复合。
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