CN111766703B - 一种基于像方扫描的摄录一体机光学系统的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于像方扫描的摄录一体机光学系统的建模方法，包括以下步骤：1)从ZEMAX的元件库中调出调焦透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、光阑、准直透镜组、后固定透镜组和CMOS成像组件，对各透镜组进行像差优化；2)让准直透镜具有准直作用；3)采用理想透镜替换后固定透镜组，对透镜组进行像差优化，使成像质量优良；4)在另一个工作界面中单独重新对后固定透镜组进行优化；5)将后固定透镜组与其它透镜组组合并进行优化。本建模方法利用ZEMAX建模，对于光学系统中光学元件的选择可以进行有针对性的分析和优化，从而可获得成像质量优良的摄录一体机光学系统，建模准确可靠，提高了光学系统的有效利用率和高功能密度。

Description

一种基于像方扫描的摄录一体机光学系统的建模方法

技术领域

本发明属于光电设备技术领域，更具体地，涉及一种摄录一体机光学系统的建模方法。

背景技术

摄录一体机广泛应用于对物体的观察和跟踪，可满足大视场下对快速飞行物体近处的搜索捕获，也可以满足小视场下对中低速远距离飞行物体的追踪，其应用在飞行器上时，在飞行器飞行过程中还需要对对指定区域进行反向扫描侦察拍照或重点目标拍照功能，因此，对摄录一体机光学系统摄录的图像稳定性具有较高的要求。

摄录一体机应用在飞行器的机载光电吊舱中时，主要用于飞行训练和演习过程中对重要目标事件的摄录。由于飞行器的运动，会致使摄录一体机对目标拍照时出现图像拖尾的问题，导致显示模糊，严重影响目标的正常显示。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于ZEMAX的摄录一体机光学系统的建模方法，其提高了光学系统的有效利用率和高功能密度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于像方扫描的摄录一体机光学系统的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在ZEMAX的工作界面Ⅰ中，从ZEMAX的元件库中调出调焦透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、光阑、准直透镜组、后固定透镜组和CMOS成像组件，它们沿着光的传播方向依次布置；

对于调焦透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、准直透镜组和后固定透镜组这六组透镜组，对各组透镜组分别进行像差优化及调整相邻透镜组的间隔，使光线经过这六组透镜组后成像在CMOS成像组件上的弥散斑小于一个像元；其中，透镜组的像差优化是指调整各透镜的玻璃材料与厚度，和/或调整透镜组的透镜之间的间隔；

2)通过后固定透镜组的有效焦距EFLY，控制准直透镜组的出射面和后固定透镜组的入射面上的光线高度，使它们的光线高度一致，并控制调焦透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、光阑、准直透镜组的组合的有效焦距为无穷大，从而实现准直透镜组的出射面和后固定透镜组的入射面之间的光线为平行光线，也即让准直透镜组具有准直作用，所述调焦透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、光阑和准直透镜组成望远光学系统；

3)将步骤2)的后透镜固定组和CMOS成像组件复制到工作界面Ⅱ中，

4)在工作界面Ⅰ中，获得后固定透镜组的有效焦距EFLY，然后采用理想透镜替换后固定透镜组，使理想透镜的焦距等于EFLY，将理想透镜与望远光学系统组合后对望远光学系统进行像差优化，使光线经过望远光学系统与理想透镜的组合后在CMOS成像组件上的弥散斑小于一个像元；

5)在工作界面Ⅱ中，单独对后固定透镜组进行像差优化，使光线经过后固定透镜组后在CMOS成像组件上的弥散斑小于一个像元；

6)采用步骤5)中像差优化后的后固定透镜组替换步骤4)中的望远光学系统，在准直透镜组与后固定透镜组之间添加快速反射镜，以将准直透镜组出射的光反射到后固定透镜组上，保留所需的视场，再对后固定透镜组进行像差优化，快速反射镜进行摆动，在摆动的过程中，光线经过望远光学系统至快速反射镜，并经快速反射镜反射至后固定透镜组，然后经后固定透镜组后成像在CMOS成像组件上的弥散斑小于两个像元。

优选地，所述调焦透镜组包括第一胶合透镜和第二胶合透镜，所述变倍透镜组包括第三胶合透镜和第四胶合透镜，所述补偿透镜组包括透镜A和第五胶合透镜，所述准直透镜组包括第六胶合透镜，所述后固定透镜组包括透镜B、第七胶合透镜、固定反射镜、第八胶合透镜和第九胶合透镜，其中第一胶合透镜、第二胶合透镜、第三胶合透镜、第四胶合透镜、透镜A、第五胶合透镜和第六胶合透镜的光轴同轴，所述透镜B和第七胶合透镜的光轴同轴并且与第六胶合透镜的光轴垂直，所述第八胶合透镜和第九胶合透镜的光轴同轴并且与第六胶合透镜的光轴平行。

优选地，在保留的设定视场下，该摄录一体机光学系统的放大倍率为3.7倍，快速反射镜的摆动速度不低于71.04°/s。

优选地，在初始状态下，所述快速反射镜与第六胶合透镜准直后的光线的夹角为45°。

优选地，所述第七胶合透镜与所述固定反射镜之间设置有滤光片组件。

优选地，所述滤光片组件包括可见光滤光片、近红外滤光片、激光窄带滤光片和偏振片。

优选地，步骤5)中保留3.2°视场。

优选地，所述快速反射镜进行摆动的范围为：快速反射镜相对于初始位置摆动±0.7°。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本建模方法利用ZEMAX软件建模，对于光学系统中光学元件的选择可以进行有针对性的分析和优化，从而可获得成像质量优良的摄录一体机光学系统，建模准确可靠。

2)本建模方法通过在望远光学系统的平行光路中添快速反射镜，实现整个产品对指定区域进行反向扫描侦察拍照或重点目标拍照功能，从而提高镜头的高功能密度，并在实际使用中节省了空间和体积重量。

3)当快速反射镜组开始摆动时，可实现整个产品对指定区域进行反向扫描侦察拍照或重点目标拍照功能，为整个系统扩大了视场，提高了搜索范围；当产品应用在机载光电吊舱中时，由于飞机的运动，致使对目标拍照时出现图像拖尾的问题，而快速反射镜组通过向相反方向摆动，进行视场补偿，实现消旋功能；在远距离目标跟踪过程中，快速反射镜组通过小角度的摆动，实现对目标的精跟踪的目的；并且对调焦透镜组进行调焦时带来的光轴一致性问题提供角度补偿。

附图说明

图1为本发明的光学系统图；

图2为本发明的快速反射镜相对初始位置摆动-0.7°后的光学系统图；

图3为本发明的快速反射镜相对初始位置摆动+0.7°后的光学系统图；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图4所示，一种基于像方扫描的摄录一体机光学系统的建模方法，包括以下步骤：

1)在ZEMAX的一个工作界面中，从ZEMAX的元件库中调出调焦透镜组1、变倍透镜组2、补偿透镜组3、光阑8、准直透镜组4、后固定透镜组6和CMOS成像组件，并且它们沿着光的传播方向依次布置，所述调焦透镜组1、变倍透镜组2、补偿透镜组3、准直透镜组4、后固定透镜组6至少包括一个透镜(透镜可以是一块玻璃形成的单一透镜，也可以是两块玻璃胶合在一起形成的胶合透镜)，优选地，所述调焦透镜组1包括沿着光的传播方向依次布置的第一胶合透镜11和第二胶合透镜12，所述变倍透镜组2包括沿着光的传播方向依次布置的第三胶合透镜21和第四胶合透镜22，所述补偿透镜组3包括沿着光的传播方向依次布置的透镜A31和第五胶合透镜32，所述准直透镜组4包括沿着光的传播方向依次布置的第六胶合透镜41，所述后固定透镜组6包括沿着光的传播方向依次布置的透镜B61、第七胶合透镜62、固定反射镜63、第八胶合透镜64和第九胶合透镜65，其中第一胶合透镜11、第二胶合透镜12、第三胶合透镜21、第四胶合透镜22、透镜A31、第五胶合透镜32和第六胶合透镜41的光轴同轴，所述透镜B61和第七胶合透镜62的光轴同轴并且与第六胶合透镜41的光轴垂直，所述第八胶合透镜64和第九胶合透镜65的光轴同轴并且与第六胶合透镜41的光轴平行；

对于调焦透镜组1、变倍透镜组2、补偿透镜组3、准直透镜组4和后固定透镜组6这六组透镜组，对各组透镜组分别进行像差优化及调整相邻透镜组的间隔，使光线经过这六组透镜组后成像在CMOS成像组件上的弥散斑小于一个像元；其中，透镜组的像差优化是指调整各透镜的玻璃材料与厚度，和/或调整透镜组的透镜之间的间隔；譬如像差优化时，所述调焦透镜组1是调整第一胶合透镜11和第二胶合透镜12的间隔，以及第一胶合透镜11和第二胶合透镜12的玻璃材料和厚度，所述变倍透镜组2的第三胶合透镜21和第四胶合透镜22是调整第三胶合透镜21和第四胶合透镜22的间隔，以及第三胶合透镜21和第四胶合透镜22的玻璃材料和厚度，所述补偿透镜组3是调整透镜A31和第五胶合透镜32的间隔，以及透镜A31和第五胶合透镜32的玻璃材料和厚度，所述准直透镜组4是调整第六胶合透镜41的玻璃材料和厚度，所述后固定透镜组6是调整透镜B61、第七胶合透镜62、第八胶合透镜64和第九胶合透镜65的间隔，和/或玻璃材料和厚度。如果透镜组只有单一透镜，则只需调整这个透镜的玻璃材料和厚度。参见图1～图3，令一个胶合透镜的左、右两侧计为两个面且中间的胶合面计为一个面，单一透镜的左、右侧计为两个面，则第一胶合透镜11从左至右依次为第1面、第2面和第3面，同理，第二胶合透镜12从左至右依次为第4面，第5面和第6面，第三胶合透镜21从左至右依次为第7面，第8面和第9面，第四胶合透镜22从左至右依次为第10面，第11面和第12面，透镜A31从左至右依次为第13面和第14面，第五胶合透镜32为第15面，第16面和第17面，光阑8计为第18面，第六胶合透镜41从左至右依次为第19面、第20面和第21面(第21面为准直透镜组4的出射面)，透镜B61的入射面为第22面；

2)通过有效焦距EFLY控制准直透镜组4的出射面(也是第六胶合透镜41的出射面即第21面)和后固定透镜组6的入射面(也是透镜B61的入射面即第22面)上的光线高度，使这两个表面上的光线高度一致，并在小视场的情况下控制从第一胶合透镜11的入射面至第六胶合透镜41的出射面之间的有效焦距为无穷大，从而实现准直透镜组4的第六胶合透镜41的出射面和后固定透镜组6的透镜B61的入射面之间的光线为平行光线，也即准直透镜组4具有准直作用，其中调焦透镜组1、变倍透镜组2、补偿透镜组3和准直透镜组4成望远光学系统；

3)将步骤2)的后透镜固定组4和CMOS成像组件复制到工作界面Ⅱ中，

4)在工作界面Ⅰ中，获得后透镜固定组6的透镜B61、第七胶合透镜62、第八胶合透镜64和第九胶合透镜65组合的有效焦距EFLY，然后将步骤1)的工作界面中的后透镜固定组6的透镜B61、第七胶合透镜62、第八胶合透镜64和第九胶合透镜65这四组透镜复制到另一工作界面中，采用理想透镜替换步骤1)的工作界面中的后固定透镜组6，然后添加理想透镜，使理想透镜的焦距等于有效焦距EFLY，然后将理想透镜与望远光学系统组合后对后固定透镜组进行像差优化，使光线经过望远光学系统与理想透镜的组合后成像在CMOS成像组件上的弥散斑小于一个像元；

5)在工作界面Ⅱ中，单独重新对后固定透镜组6的四组透镜进行像差优化，使光线经过后固定透镜组后成像在CMOS成像组件上的弥散斑小于一个像元；

6)采用步骤5)中像差优化后的后固定透镜组6替换步骤4)中的望远光学系统，在准直透镜组4与后固定透镜组6之间添加快速反射镜，以将准直透镜组4出射的光反射到透镜B61上，保留所需的3.2°视场，模拟快速反射镜在初始位置(初始位置是相对于水平面倾斜45°的位置)的基础上摆动±0.7°，使光线经过望远光学系统至快速反射镜，经快速反射镜反射至后固定透镜组，然后经过后固定透镜组后成像在CMOS成像组件上的弥散斑小于两个像元。

上述方法可以总结为四点：1)望远系统中出射的要是绝对的平行光线；2)望远系统的成像质量优良；3)后固定透镜组6中的四组透镜的像差优化的非常小；4)望远系统和后固定透镜组6中的四组透镜的组合像差非常小。实现上述四点才能实现快速反射镜在摆动的过程中，成像清晰。有的产品是通过联合设计，也就是只有步骤S1和S2这样做出来的系统，在快速反射镜在摆动的过程中，像面也会摆动一个两倍的角度，整个像面成像就会变模糊。

进一步，在保留的设定视场下，该摄录一体机的放大倍率为3.7倍，快速反射镜速度不低于71.04°/s。

进一步，在初始状态下，所述快速反射镜与第六胶合透镜41准直后的光线的夹角为45°。

进一步，所述第七胶合透镜62与所述固定反射镜63之间设置有滤光片组件，所述滤光片组件包括可见光滤光片、近红外滤光片、激光窄带滤光片和偏振片。

所述调焦透镜组1作用是将目标景物成像在变倍透镜组2的物面上，变倍透镜组2由左向右作线性移动，补偿透镜组3作相应的非线性移动，变倍透镜组2和补偿透镜组3的移动，改变它们之间的空气间隔来实现焦距的连续变化和像面的稳定。通过移动调焦透镜组1来实现摄录一体机系统的调焦功能，保证系统在高低温环境中成像清晰。

准直透镜组4对调焦透镜组1、变倍透镜组2、补偿透镜组3的剩余像差进行补偿，在小视场的情况下放大倍率为3.7倍，根据望远光学系统小视场倍率和前端平台移动速度，得出快速反射镜摆角为1.4°，快速反射镜速度不低于71.04°/s，快速反射镜摆动过程中全视场成像清晰，准直透镜组4是由物镜第六胶合透镜41组成。

快速反射镜组5作用是把从准直透镜发出的平行光线进行折转，让反射光线进入到后固定透镜组6，最终光线成像在CMOS成像系统的靶面。快速反射镜组5在没有摆动的过程中，就相当于45°反射镜的作用；当快速反射镜组5开始摆动±0.7°时(与第六胶合透镜41的光轴的角度为45°±0.7°)，实现整个产品对指定区域进行反向扫描侦察拍照或重点目标拍照功能；当产品应用在机载光电吊舱中时，由于飞机的运动，致使对目标拍照时出现图像拖尾的问题，而快速反射镜组5通过向相反方向摆动，进行视场补偿，实现消旋功能；在远距离目标跟踪过程中，扫描镜组通过小角度的摆动，实现对目标的精跟踪的目的；并且补偿调焦透镜组1进行调焦时带来的角度偏差。

后固定透镜组6作用是对前面望远光学系统进行像差补偿，滤光镜组7是由可见光滤光片、近红外滤光片、激光窄带滤光片和偏振片组成，固定反射镜63作用是对光线进行折转。其中后固定透镜组6是由物镜第十四透镜、物镜第七胶合透镜62、物镜第八胶合透镜64、物镜第九胶合透镜65组成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于像方扫描的摄录一体机光学系统的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在ZEMAX的工作界面Ⅰ中，从ZEMAX的元件库中调出调焦透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、光阑、准直透镜组、后固定透镜组和CMOS成像组件，它们沿着光的传播方向依次布置；

对于调焦透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、准直透镜组和后固定透镜组这六组透镜组，对各组透镜组分别进行像差优化及调整相邻透镜组的间隔，使光线经过这六组透镜组后成像在CMOS成像组件上的弥散斑小于一个像元；其中，后固定透镜组内还设置有滤光片组件，该滤光片组件包括可见光滤光片、近红外滤光片、激光窄带滤光片和偏振片，且透镜组的像差优化是指调整各透镜的玻璃材料与厚度，和/或调整透镜组的透镜之间的间隔；

2)通过后固定透镜组的有效焦距EFLY，控制准直透镜组的出射面和后固定透镜组的入射面上的光线高度，使它们的光线高度一致，并控制调焦透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、光阑、准直透镜组的组合的有效焦距为无穷大，从而实现准直透镜组的出射面和后固定透镜组的入射面之间的光线为平行光线，也即让准直透镜组具有准直作用，所述调焦透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、光阑和准直透镜组成望远光学系统；

3)将步骤2)的后透镜固定组和CMOS成像组件复制到工作界面Ⅱ中，

4)在工作界面Ⅰ中，获得后固定透镜组的有效焦距EFLY，然后采用理想透镜替换后固定透镜组，使理想透镜的焦距等于EFLY，将理想透镜与望远光学系统组合后对望远光学系统进行像差优化，使光线经过望远光学系统与理想透镜的组合后在CMOS成像组件上的弥散斑小于一个像元；

5)在工作界面Ⅱ中，单独对后固定透镜组进行像差优化，使光线经过后固定透镜组后在CMOS成像组件上的弥散斑小于一个像元；

6)采用步骤5)中像差优化后的后固定透镜组替换步骤4)中的理想透镜，在准直透镜组与后固定透镜组之间添加快速反射镜，以将准直透镜组出射的光反射到后固定透镜组上，保留所需的3.2°视场，再对后固定透镜组进行像差优化，快速反射镜进行摆动，在摆动的过程中，模拟快速反射镜在初始位置的基础上摆动±0.7°，使光线经过望远光学系统至快速反射镜，并经快速反射镜反射至后固定透镜组，然后经后固定透镜组后成像在CMOS成像组件上的弥散斑小于两个像元；

并且在保留的设定视场下，该摄录一体机光学系统的放大倍率为3.7倍，快速反射镜的摆动速度不低于71.04°/s。

2.根据权利要求1所述的一种基于像方扫描的摄录一体机光学系统的建模方法，其特征在于，所述调焦透镜组包括第一胶合透镜和第二胶合透镜，所述变倍透镜组包括第三胶合透镜和第四胶合透镜，所述补偿透镜组包括透镜A和第五胶合透镜，所述准直透镜组包括第六胶合透镜，所述后固定透镜组包括透镜B、第七胶合透镜、固定反射镜、第八胶合透镜和第九胶合透镜，其中第一胶合透镜、第二胶合透镜、第三胶合透镜、第四胶合透镜、透镜A、第五胶合透镜和第六胶合透镜的光轴同轴，所述透镜B和第七胶合透镜的光轴同轴并且与第六胶合透镜的光轴垂直，所述第八胶合透镜和第九胶合透镜的光轴同轴并且与第六胶合透镜的光轴平行。

3.根据权利要求1所述的一种基于像方扫描的摄录一体机光学系统的建模方法，其特征在于，在初始状态下，所述快速反射镜与第六胶合透镜准直后的光线的夹角为45°。

4.根据权利要求2所述的一种基于像方扫描的摄录一体机光学系统的建模方法，其特征在于，所述第七胶合透镜与所述固定反射镜之间设置有滤光片组件。

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