CN112180587B

CN112180587B - 机载共形窗口像差校正系统

Info

Publication number: CN112180587B
Application number: CN202010879717.3A
Authority: CN
Inventors: 赵春竹; 郭玉
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: CN112180587A

Abstract

本发明实施例提供一种机载共形窗口像差校正系统，包括：依次设置的共形窗口、扫描成像镜头和透镜阵列，其中：共形窗口以预定角度划分为多个成像通道；扫描成像镜头可旋转，并在旋转到多个角度时一一对应地对多个成像通道进行扫描；透镜阵列包括多个子透镜，多个子透镜一一对应于多个成像通道，各子透镜用于校正对应的成像通道的像差，其中，各子透镜的中心对应地与各成像通道的光轴同轴，且各子透镜的前后表面的面型和参数对应地与各成像通道的共形窗口局部面型和参数相关，各子透镜沿光轴的旋转角度与对应的成像通道的像差的方向性相关。该系统能够实现大扫描视角范围共形窗口像差校正，具有系统稳定性好、重量轻的优点，适用于机载使用。

Description

机载共形窗口像差校正系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种机载共形窗口像差校正系统。

背景技术

现有技术中，在机载共形窗口成像中，需要对像差进行校正，实现共形窗口像差校正的方式包括动态校正方法和静态校正方法。其中，动态校正方法通过对光学元件进行平移和旋转实现大扫描视场中动态像差的校正，但是这种方法光学机械结构复杂，降低了系统的稳定性；而静态校正方法通过几个由固定光学元件组成的静态校正器对共形窗口引入的像差进行校正，这种传统静态校正方法只能校正较小扫描视场的动态像差，无法应用于大扫描视场机载共形光学系统中。并且现有机载辅助静态光学元件，若扩大扫描视场，则导致光学原件口径变大，致使机载负重增加。

因此，如何获得一种具有良好稳定性而且重量轻的，适用于大扫描视场机载共形光学系统的像差校正方法，是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种机载共形窗口像差校正系统。该机载共形窗口像差校正系统能够实现大扫描视场机载共形光学系统的像差校正，同时具有系统稳定性好、重量轻的优点。

为了实现上述目的，本发明的第一方面公开了一种机载共形窗口像差校正系统，其特征在于，包括：依次设置的共形窗口、扫描成像镜头和透镜阵列，其中：

所述共形窗口以预定角度划分为多个成像通道；

所述扫描成像镜头可旋转，并在旋转到多个角度时一一对应地对所述多个成像通道进行扫描；

所述透镜阵列包括多个子透镜，所述多个子透镜一一对应于所述多个成像通道，各子透镜用于校正对应的成像通道的像差，其中，各子透镜的中心对应地与各成像通道的光轴同轴，且各子透镜的前后表面的面型和参数对应地与各成像通道的共形窗口面型和参数相关，各子透镜沿所述光轴的旋转角度与对应的成像通道的像差的方向性相关。

进一步地，所述共形窗口的前后表面均为双曲率面，各子透镜的前后表面均为双曲率面。

进一步地，还包括：双曲率面计算模块，用于：

根据表面矢高、x和y方向的曲率，得到双曲率面的x和y方向上的曲面半径。

进一步地，所述共形窗口的双曲率面、所述各子透镜的双曲率面通过如下公式得到，所述公式为：

其中，z是表面矢高，c_x和c_y分别是x和y方向的曲率，有：R_x＝1/c_x和R_y＝1/c_y，其中，R_x和R_y分别为x和y方向上的曲面半径。

进一步地，还包括：像面，所述像面随所述扫描成像镜头的旋转而旋转，以对应地对所述多个成像通道进行成像。

进一步地，还包括：优化模块，用于对各子透镜的前后表面的面型和参数以及共形窗口内表面的面型和参数进行优化。

进一步地，所述预定扫描角度间隔为3度。

本发明实施例的机载共形窗口像差校正系统，通过将共形窗口以预定角度划分为多个成像通道；并在扫描成像镜头旋转到多个角度时一一对应地对所述多个成像通道进行扫描；透镜阵列的多个子透镜一一对应于所述多个成像通道，各子透镜用于校正对应的成像通道的像差，系统实现了大扫描视场机载共形光学系统的像差校正，同时，由于透镜阵列固定于系统末端，不随扫描系统转动，增加了系统稳定性，对于大口径扫描光学系统，相对于现有技术，由于透镜阵列位于系统末端小口径区域，重量较轻，进而减轻了整个光学系统重量，更适合机载。

附图说明

图1为本发明实施例的机载共形窗口像差校正系统沿Y-Z平面方向的示意图；

图2为本发明实施例的机载共形窗口像差校正系统沿X-Z平面方向的示意图；

图3为本发明实施例的机载共形窗口像差校正系统的原理图；

图4为本发明的共形光学系统在0°扫描角度的沿X-Z方向的平面示意图；

图5为本发明的共形光学系统在21°扫描角度的沿X-Z方向的平面示意图；

图6为本发明的共形光学系统在42°扫描角度的沿X-Z方向的平面示意图；

图7为初始共形光学系统Zernike系数图；

图8为本发明的共形光学系统Zernike系数图。

附图标记：

101：第一共形窗口；102：第一光阑；103：第一扫描成像镜头；104：第一透镜阵列；105：第一像面；201：第二共形窗口；202：第二光阑；203：第二扫描成像镜头；204：第二透镜阵列；205：第二像面；301、第三共形窗口；302、第三扫描成像镜头；303：第三透镜阵列；304：第三像面；401：第四共形窗口；402：第四扫描成像镜头；403：第一子透镜；404：第四像面；501：第五共形窗口；502：第五扫描成像镜头；503：第二子透镜；504：第五像面；601：第六共形窗口；602：第六扫描成像镜头；603：第三子透镜；604：第六像面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的机载共形窗口像差校正系统。

图1为本发明实施例的机载共形窗口像差校正系统沿Y-Z方向的平面示意图，如图1所示，从物方到像方，机载共形窗口像差校正系统依次设置：第一共形窗口101、第一光阑102、第一扫描成像镜头103、第一透镜阵列104和第一像面105，入射光束依次经过第一共形窗口101、第一光阑102、第一扫描成像镜头103、第一透镜阵列104和第一像面105。

图2为本发明实施例的机载共形窗口像差校正系统沿X-Z方向的平面示意图，如图2所示，从物方到像方，机载共形窗口像差校正系统依次设置：第二共形窗口201、第二光阑202、第二扫描成像镜头203、第二透镜阵列204和第二像面205。

图3为本发明实施例的机载共形窗口像差校正系统原理图，下面结合机载共形窗口像差校正系统原理图说明本发明的原理。如图3所示，机载共形窗口像差校正系统包括：

301、第三共形窗口：

所述共形窗口以预定角度划分为多个成像通道；

具体地，共形窗口是指外形符合主平台轮廓和形状需要的光学窗口，可以应用于飞机等飞行器，以减小飞行器空气阻力和飞行器周围的空气扰动，同时能够减小雷达反射面，有利于实现飞行器隐身，提高飞机的整体性能。本发明实施例中提及第三共形窗口301采用蓝宝石材料制成，飞行器内部设备通过第三共形窗口301对外部物体进行观测，即，飞行器外部物体反射光束通过第三共形窗口301进入飞行器内部设备，为了校正第三共形窗口301引起的静态像差和动态像差，其中，动态像差随着飞行器内部观测设备扫描角度的变化而改变，本发明实施例中将第三共形窗口301按照预定角度划分为若干成像通道，保证第三共形窗口301按照预定角度划分的成像通道与飞行器内部设备每个扫描视角一一对应。表1为机载共形窗口相关参数。

表1.机载共形窗口相关参数

302、第三扫描成像镜头：

所述第三扫描成像镜头302可旋转，并在旋转到多个角度时一一对应地对所述多个成像通道进行扫描；

具体地，第三扫描成像镜头302用于实现飞行器外部物体反射光束的聚焦成像，以飞行平台为例，第三扫描成像镜头302可以为后置扫描型长焦距成像的光学系统，例如：第三扫描成像镜头302焦距为200mm，F数为2.8，全视场为±42^°，将视场划分为29个扫描成像通道，各扫描通道间隔为3^°，各扫描通道视场为2.4°(X)×1.8°(Y)。本发明实施例中所述第三扫描成像镜头302可以按预设角度3°旋转，并在旋转到每个角度时与第三共形窗口301按照预定角度划分的成像通道一一对应，本发明实施例采用分通道的方式扫描成像，扫描过程中，第三扫描成像镜头302绕中心横向旋转。

303、第三透镜阵列：

所述透镜阵列包括多个子透镜，所述多个子透镜一一对应于所述多个成像通道，各子透镜用于校正对应的成像通道的像差，其中，各子透镜的中心对应地与各成像通道的光轴同轴，且各子透镜的前后表面的面型和参数对应地与各成像通道的内表面的面型和参数相关，各子透镜沿所述光轴的旋转角度与对应的成像通道的像差的方向性相关。

具体地，第三透镜阵列303由若干子透镜构成，本发明实施例中第三透镜阵列303的各子透镜材料选用MgF₂(其折射率为1.38，阿贝数为106.2)，植入在成像通道未交叠区域，保证第三透镜阵列303中每个子透镜对应一个成像通道，且每个子透镜的中心与对应成像通道光轴同轴。

以为全视场为±42度，将视场划分为29个扫描成像通道，各扫描通道间隔为3度例，本发明实施例中第三透镜阵列303由29个子透镜构成，对应29个扫描成像通道，即，每个子透镜对应一个扫描成像通道，为了校正不同扫描通道引入的不同动态像差，本发明实施例根据不同扫描通道，第三共形窗口301引起不同的像差，分别设计29个子透镜前后表面的面型和参数。如图4所示，当第四扫描成像镜头402扫描角度为0度时，成像通道中光束投射到透镜阵列中第一子透镜403，由第一子透镜403完成扫描角度为0度时的像差校正；如图5所示，当第五扫描成像镜头502扫描角度为21度时，成像通道中光束投射到透镜阵列中第二子透镜503，由第二子透镜503完成扫描角度为21度时的像差校正；如图6所示，当第六扫描成像镜头602扫描角度为42度时，成像通道中光束投射到透镜阵列中第三子透镜603，由第三子透镜603完成扫描角度为42度时的像差校正。

考虑飞行器外部物方光束经第三共形窗口301引入的像差具有矢量性质，即，所引入的像差大小和方向是随着第三扫描成像镜头302扫描角度的不同而改变的。为了校正上述像差，本发明实施例针对像差的方向性，将第三透镜阵列303的各子透镜绕光轴单独旋转，使子透镜产生的像差更好地与第三共形窗口301各通道的像差相互补偿，最终实现有效的校正系统的像差。表2为第三透镜阵列303中各子透镜绕各通道光轴的旋转方向。

由于成像系统的大孔径，每个子透镜的孔径均大于10mm。因此，各子透镜能够被制造，然后将它们安装在一起以形成第三透镜阵列303。

本发明实施例利用透镜阵列，实现了大视角范围扫描，相比于现有的动态校正器，本发明实施例中透镜阵列是固定的，不随扫描系统转动，因此，增加了系统稳定性；相对于大口径扫描光学系统，本发明实施例中透镜阵列位于系统末端小口径区域，校正器重量较轻，进而减轻了整个光学系统重量，更适合机载。

表2.第三透镜阵列303中各子透镜绕各通道光轴的旋转方向

扫描通道	扫描角度/度	绕光轴旋转角度/度
			1	0	0
2	3	0.788
			3	6	2.140
4	9	3.310
			5	12	4.571
6	15	5.648
			7	18	6.267
8	21	5.897
			9	24	2.857
10	27	-7.869
			11	30	36.861
12	33	28.336
			13	36	26.234
14	39	25.381
			15	42	25.467

在本发明的一个实施例中，所述共形窗口的前后表面均为双曲率面，各子透镜的前后表面均为双曲率面。

具体地，如图3所示，第三共形窗口301前后表面均为双曲率面，由于两表面间像差较小，几乎不引入光焦度；为了校正由共形窗口引入的像差，第三透镜阵列303中各子透镜前后表面均为双曲率面，保证引入较小的光焦度。

根据本发明实施例，能够系统减小光焦度。

在本发明的一个实施例中，双曲率面计算模块，用于：根据表面矢高、x和y方向的曲率，得到双曲率面的x和y方向上的曲面半径。

具体地，如图3所示的第三共形窗口301和第三透镜阵列303中各子透镜前后表面均为双曲率面，其面形可由各子透镜表面矢高、x和y方向的曲率确定，进而可以得到各子透镜前后表面双曲率面的x和y方向上的曲面半径。

根据本发明实施例，表面矢高、x和y方向的曲率确定不同的面型和参数，实现不同扫描角度下像差的校正。

在本发明的一个实施例中，所述共形窗口的双曲率面、所述各子透镜的双曲率面通过如下公式得到，所述公式为：

其中，z是表面矢高，c_x和c_y分别是x和y方向的曲率，有：R_x＝1/c_x和R_y＝1/c_y，其中，R_x和R_y分别为x和y方向上的曲面半径。表3为如图3所示的透镜阵列303中各子透镜前后表面的Y方向半径(R_y)和X方向半径(R_x)；

根据本发明实施例，通过改变表面的X方向半径R_x和表面的Y方向半径R_y，实现不同扫描角度下像差的校正。

表3.第三透镜阵列303中各子透镜前后表面的Y方向半径(R_y)和X方向半径(R_x)

在本发明的一个实施例中，所述扫描成像镜头包括：依次设置的光阑和透镜。

具体地，如图1所示，第一光阑102设置在第一扫描成像镜头103上，跟随第一扫描成像镜头103一起旋转；扫描成像镜头类似照相机，如使用无像差的理想成像透镜代替实际镜头，光阑可以省略。

在本发明的一个实施例中，还包括：像面，所述像面随所述扫描成像镜头的旋转而旋转，以对应地对所述多个成像通道进行成像。

具体地，如图3所示，第三像面304设置在第三透镜阵列303后方，第三像面304和第三透镜阵列303是同步旋转的，物方光速经第三透镜阵列303经过像差校正后，在第三像面304会聚成像。

根据本发明的一个实施例中，通过扫描方式成像，将各子透镜后方的第三像面304拼接，即得到飞行器外部物体的物像。

在本发明的一个实施例中，还包括：优化模块，用于对各子透镜的前后表面的面型和参数以及各成像通道的共形窗口内表面的面型和参数进行优化。

具体地，如图3所示，本发明实施例中首先对第三共形窗口301内表面的面型和参数重新进行优化设计，平衡整个扫描视场的像差，使第三透镜阵列303中各子透镜均衡承担校正像差的压力；然后，对第三透镜阵列303的子透镜前后表面的面型和参数进行优化，每个子透镜单独校正各对应扫描通道的像差，进一步减小第三共形窗口303引入的像差。

根据本发明实施例减小了共形窗口引入的像差。

在本发明的一个实施例中，所述预定扫描角度间隔为3度。

具体地，如图3所示，考虑第三扫描成像镜头302的焦距为200mm，F数为2.8，全视场为±42度，将视场划分为29个扫描成像通道，各扫描通道视场为2.4度(X)×1.8度(Y)。但当各通道扫描角度间隔为2.4度时，将导致各通道光线完全交叠，未交叠区域临界点位于像面304，因此无法植入第三透镜阵列303。考虑到第三透镜阵列303的安装，第三透镜阵列303植入的位置应与第三像面304有一定的距离，并且各子透镜需留有边厚，选取系统扫描角度间隔为3度。

利用Zernike多项式拟合系统出瞳位置的波前像差，图7为初始共形光学系统Zernike系数图，可见，初始共形光学系统Zernike系数较大，说明共形窗口引入像差较大。图8为本发明的共形光学系统Zernike系数图，可见，本发明的Zernike系数均控制在±1以内，像差得到很好的校正。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种机载共形窗口像差校正系统，其特征在于，包括：依次设置的共形窗口、扫描成像镜头和透镜阵列，其中：

所述共形窗口以预定角度划分为多个成像通道；

所述透镜阵列包括多个子透镜，所述多个子透镜一一对应于所述多个成像通道，各子透镜用于校正对应的成像通道的像差，其中，各子透镜的中心对应地与各成像通道的光轴同轴，且各子透镜的前后表面的面型和参数对应地与各成像通道的共形窗口局部面型和参数相关，各子透镜沿所述光轴的旋转角度与对应的成像通道的像差的方向性相关。

2.根据权利要求1所述的机载共形窗口像差校正系统，其特征在于，所述共形窗口的前后表面均为双曲率面，各子透镜的前后表面均为双曲率面。

3.根据权利要求2所述的机载共形窗口像差校正系统，其特征在于，还包括：双曲率面计算模块，用于：

4.根据权利要求3所述的机载共形窗口像差校正系统，其特征在于，所述共形窗口的双曲率面、所述各子透镜的双曲率面通过如下公式得到，所述公式为：

5.根据权利要求1所述的机载共形窗口像差校正系统，其特征在于，还包括：像面，所述像面随所述扫描成像镜头的旋转而旋转，以对应地对所述多个成像通道进行成像。

6.根据权利要求1所述的机载共形窗口像差校正系统，其特征在于，还包括：优化模块，用于对各子透镜的前后表面的面型和参数以及共形窗口内表面的面型和参数进行优化。

7.根据权利要求1-6任一项所述的机载共形窗口像差校正系统，其特征在于，所述预定角度间隔为3度。