CN109946829A - 变焦稳像一体化成像系统中变形镜变焦面形设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉一种变焦稳像一体化成像系统中变形镜变焦面形设计方法，属于光电技术领域。首先建立变形镜变焦面形模型。然后建立变形镜变焦面形与光学系统焦距之间的求解关系。最后根据成像系统变焦需求，计算变形镜变焦面形，根据计算结果调整实现所需的变形镜面形。本发明方法能够在变形镜动态范围内生成适合的面形，以满足光学成像系统变焦的需要。

Description

变焦稳像一体化成像系统中变形镜变焦面形设计方法
技术领域
本发明涉一种元件不动型变焦成像光学系统中变形镜变焦面形设计方法，属于光电技术领域。
背景技术
成像系统在军用领域与民用领域都有着广泛的应用。在一些成像系统中，比如侦察系统与地面遥感系统，为了完成目标捕获和跟踪，需要在系统中集成光学变焦系统以获得不同物距、不同视场下目标的清晰图像。光学变焦系统在变焦过程中不会丢失跟踪目标，而且能够根据目标特征选择合适大小的视场，大大提高跟踪、监测的功效。
传统的光学变焦系统，由几组焦距固定的透镜组组合而成，利用空间凸轮等机械装置调节固定焦距透镜组的相对位置，即移动部分透镜组，来达到变焦的目的。由于采用机械传动和组件移动，导致传统的光学变焦系统可靠性较低、响应速度有限。随着成像系统开始向着小型化、智能化、通用化的方向发展，集成其上的变焦系统小型化、快速化的问题也日益凸显。
变形镜，即Deformable mirror(DM)，是一种具有很高自由度的面形可变光学器件。它通过可控的驱动器来控制反射镜面，使其不同部位作微小运动，从而改变变形镜的面形。利用变形镜与其它光学透镜组成“元件不动型变焦成像光学系统”，采取不同的变形控制，能够实现光学系统变焦。与传统的光学成像系统相比，“元件不动型变焦成像光学系统”具有体积小、重量轻、低功耗和响应快等显著的技术优势，符合侦察、监测装置的发展趋势。
“基于MOEMS的变焦和调焦系统(ZL200810119430.X)”中，将反射式变形镜和固定透镜组结合，利用变形镜能形成任意面形的特点，固定光学元件之间的轴向位置，系统变焦是通过改变变形镜本身的焦距来实现。这种变焦距光学系统没有机械传动结构，形成了可连续变焦和调焦新型光学变调焦系统。但该专利并未涉及变焦光学系统中变形镜用于实现变焦的面形设计技术。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述元件不动型变焦成像光学系统中，变形镜变焦面形的设计问题，即，如何根据光学系统变焦需求获得对应的变焦面形，提出一种设计方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种变焦稳像一体化成像系统中变形镜变焦面形设计方法，如图1所示。
首先，建立变形镜变焦面形模型。然后，建立变形镜变焦面形与光学系统焦距之间的求解关系。最后，根据成像系统变焦需求，计算变形镜变焦面形，根据计算结果，调整实现所需的变形镜面形。
有益效果
变形镜具有很高的面形变化自由度，利用变形镜与其它光学透镜组成“元件不动型变焦成像光学系统”，能够实现光学系统变焦。与传统的光学变焦系统相比，“元件不动型变焦成像光学系统”具有体积小、重量轻、低功耗和响应快等显著的技术优势。
本发明所述变形镜变焦稳像面形设计方法，能够在变形镜动态范围内，生成适合的面形，以满足光学成像系统变焦的需要。
附图说明
图1是变焦面形设计流程图；
图2是离轴反射式元件不动型变焦成像光学系统简化后的共轴模型；
图3是变形镜面形示意图，其中(a)是变形镜初始变焦面形，(b)是变形镜焦距改变后的变焦面形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明方法做进一步详细说明。
一种变焦稳像一体化成像系统中变形镜变焦面形设计方法，包括以下步骤：
步骤一、针对元件不动型变焦成像光学系统，建立变形镜的变焦面形模型。
元件不动型变焦成像光学系统中，有光学元件Ln(n＝1,...,n-i,...,n-j,...,n,i＞j)。其中，Ln-i与Ln-j为变形镜，其面形可变，位置不变。其它光学元件为系统中的固定光学元件，即，位置与面形均不可变的光学元件。
用矩阵方法表示元件不动型变焦成像光学系统，求解光学系统中光学元件的光学变换矩阵与光线在空气中传播的光学变换矩阵。其中，光学元件的光学变换矩阵Mn为：
其中，φn(n＝1,…,n-i,…,n-j,…n,；i>j)表示光学元件光焦度。
光线在空气中传播的光学变换矩阵Tn-1为：
其中，dn-1(n-1＝1,...,n-i,...,n-j,...,n-1；i＞j)表示传播距离。
将元件不动型变焦成像光学系统分解成由n个光学元件和n-1个传播介质组成的变换系统，将光学系统中光学元件的光学变换矩阵与光线在空气中传播的光学变化矩阵，按照光线在光学系统中的传播顺序进行连乘，得到系统的光学变换矩阵M，从而建立变形镜变焦面形模型：
步骤二、建立变形镜变焦面形与焦距之间的求解关系。
令元件不动型变焦成像光学系统焦距系统后截距A、C根据公式(3)得到。
对于变焦系统，想要实现一目标焦距f'与系统后截距l'，当变焦系统中固定光学参数与各个元件间距已知，且固定光学元件的光学元件参数也已知时，光学系统的焦距和后截距仅由两个变形镜的光焦度决定。此时，根据目标焦距f'求出光学系统中变形镜的光焦度
步骤三、根据成像系统变焦需求，计算得到变形镜的变焦面形。
用Zernike多项式表示变形镜变焦面形，其表达式为：
其中，Z为元件表面某处点的矢高，Zj为第j阶Zernike项，Cj+1为Zj的系数。
使用Zernike多项式离焦项，实现变形镜光焦度改变。定义b为离焦项系数，其中为由Zernike多项式生成的Zernike面形光焦度。要使变形镜光焦度分别为需要加载离焦系数分别为
步骤四、根据计算结果，调整实现所需的变形镜面形。
实施例
本实例中的变形镜表面为非球面，变形镜初始参数如下：
非球面口径D：30mm；非球面系数K：-1；非球面顶点曲率半径R0：-3000mm；入射点光源到非球面顶点的距离d：1700mm；非球面的四次项系数：-2×10-8mm；非球面初始光焦度为
步骤一、基于矩阵光学理论建立变形镜变焦面形数学模型。元件不动型变焦成像光学系统中有光学元件Ln(n＝1,2,3,4,5)。其中，L2与L4为系统中的变形镜,其它光学元件为系统中的固定光学元件。附图2所示为离轴反射式元件不动型变焦成像光学系统简化后的共轴模型。
根据矩阵光学理论，上述光学元件的光学变换矩阵分别为：
式中表示光学元件光焦度。
光线在空气中传播的光学变换矩阵为：
式中dn-1(n-1＝1,2,3,4)表示传播距离。
则光学系统可以分解成5光学元件和4个传播介质组成的变换系统，将各个变换矩阵进行连乘，可得变焦系统的光学变换矩阵：
步骤二、建立L2变焦面形与L2焦距之间的数学求解关系。对于L2目标焦距937.5mm，L2的光焦度一定，为
步骤三、根据成像系统变焦需求求解变形镜变焦面形。仅使用Zernike多项式离焦项实现L2光焦度改变，b为离焦项系数，要使L2光焦度为应加载离焦系数为
Zernike离焦项与非球面二次项等价，Zernike多项式离焦项系数为-5×10-5mm时，等价的非球面二次项系数为-10-4mm。
因此，要将L2的光焦度从初始值改变为需在L2上附加二次项，附加的二次项系数为-10-4mm。
附加二次项系数之后的L2表面参数如下：
非球面口径D：30mm；非球面系数K：-1；非球面顶点曲率半径R0：-3000mm；入射点光源到非球面顶点的距离d：1700mm；非球面的二次项系数为-10-4mm；非球面的四次项系数：-2×10-8mm；非球面光焦度为

Claims (3)

1.变焦稳像一体化成像系统中变形镜变焦面形设计方法，其特征在于包括以下步骤：
首先，针对元件不动型变焦成像光学系统建立变形镜变焦面形模型；然后，建立变形镜变焦面形与光学系统焦距之间的求解关系；最后，根据成像系统变焦需求，计算变形镜变焦面形，根据计算结果，调整实现所需的变形镜面形。
2.如权利要求1所述的变焦稳像一体化成像系统中变形镜变焦面形设计方法，其特征在于，建立变形镜的变焦面形模型的方法如下：
元件不动型变焦成像光学系统中，有光学元件Ln(n＝1,...,n-i,...,n-j,...,n,i＞j)；其中，Ln-i与Ln-j为变形镜，其面形可变，位置不变，其它光学元件为系统中的固定光学元件，即，位置与面形均不可变的光学元件；
用矩阵方法表示元件不动型变焦成像光学系统，求解光学系统中光学元件的光学变换矩阵与光线在空气中传播的光学变换矩阵；其中，光学元件的光学变换矩阵Mn为：
其中，φn(n＝1,…,n-i,…,n-j,…n,；i>j)表示光学元件光焦度；
光线在空气中传播的光学变换矩阵Tn-1为：
其中，dn-1(n-1＝1,...,n-i,...,n-j,...,n-1；i＞j)表示传播距离；
将元件不动型变焦成像光学系统分解成由n个光学元件和n-1个传播介质组成的变换系统，将光学系统中光学元件的光学变换矩阵与光线在空气中传播的光学变化矩阵，按照光线在光学系统中的传播顺序进行连乘，得到系统的光学变换矩阵M，从而建立变形镜变焦面形模型：
建立变形镜变焦面形与焦距之间的求解关系的方法如下：
令元件不动型变焦成像光学系统焦距系统后截距A、C根据公式(3)得到；
对于变焦系统，想要实现一目标焦距f'与系统后截距l'，当变焦系统中固定光学参数与各个元件间距已知，且固定光学元件的光学元件参数也已知时，光学系统的焦距和后截距仅由两个变形镜的光焦度决定，此时，根据目标焦距f'求出光学系统中变形镜的光焦度
3.如权利要求1所述的变焦稳像一体化成像系统中变形镜变焦面形设计方法，其特征在于，根据成像系统变焦需求，计算变形镜变焦面形的方法如下：
用Zernike多项式表示变形镜变焦面形，其表达式为：
其中，Z为元件表面某处点的矢高，Zj为第j阶Zernike项，Cj+1为Zj的系数；
使用Zernike多项式离焦项，实现变形镜光焦度改变，定义b为离焦项系数，其中为由Zernike多项式生成的Zernike面形光焦度；加载离焦系数分别为使变形镜光焦度分别为
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