CN114815201B - 一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统 - Google Patents

一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统，属于光学变焦成像领域。本发明基于离轴全反射式成像光学系统的结构，能够实现宽谱段成像，获得目标的多谱段成像信息，提高区域变分辨率成像光学系统对目标的探测和识别能力；通过控制DMD的“开”、“平”状态的切换，实现长焦距与短焦距两种结构的切换；通过控制DMD的相互独立的微反射镜，使得经DMD反射的一部分光线进入到达长焦距结构中的反射镜，另一部分光线到达短焦距结构中的反射镜，同时实现大视场短焦成像与高分辨长焦成像，且无需经过图像处理便能够获得大视场广域与小视场高分辨图像；此外，通过自由控制DMD不同区域的微反射镜的状态切换，能够实现对多目标以及快速目标的识别与跟踪。

Description

一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统
技术领域
本发明属于光学变焦成像领域，尤其涉及一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统。
背景技术
在空间探测领域，宽谱段、大变倍比、高分辨率的变焦距光学系统设计具有重要意义。离轴全反射式光学系统具有无色差宽成像谱段、无遮拦成像的特点，可以应对新一代轻小型空间对地观测载荷的多谱段探测的应用需求。
现有的离轴全反射式变焦距光学系统通过光学元件的曲率变化或者光学元件的移动实现了系统焦距的变化，但是仍然不能同时实现短焦距大视场探测成像和长焦距小视场识别成像的功能，而且离轴全反射式机械变焦距光学系统的变焦速度慢，不能实现对目标的快速跟踪与识别。
现有的动态局部放大高分辨成像系统通过焦距调制原理，采用小口径局部放大镜组和透射式空间光调制器，可以同时实现短焦距大视场探测成像和长焦距小视场识别成像的功能。该系统解决了现有光学系统对目标探测的大视场成像和高分辨成像难以同时实现的矛盾，但是受限于其透射式结构形式，该类系统仅能实现单一谱段成像，以及该类系统并不能够对多目标进行高分辨识别和跟踪。
发明内容
为了克服传统离轴反射式变焦成像系统难以同时实现大视场探测与小视场高分辨成像识别的缺点，以及克服现有透射式局部高分辨成像光学系统成像谱段单一和高分辨识别目标数量单一的缺点，本发明主要目的是提供一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统，基于离轴全反射式成像光学系统的结构，能够实现宽谱段成像，获得目标的多谱段成像信息，提高区域变分辨率成像光学系统对目标的探测和识别能力；离轴反射式区域变分辨率成像光学系统采用数字微镜元件DMD作为选通元件，通过控制DMD的“开”、“平”状态的切换，使得经DMD反射的光线到达不同位置的反射镜，从而实现长焦距与短焦距两种结构的切换；通过编程控制DMD的相互独立的微反射镜，可以使得经DMD反射的一部分光线进入到达长焦距结构中的反射镜，另一部分光线到达短焦距结构中的反射镜，从而同时实现大视场短焦成像与高分辨长焦成像，且无需经过图像处理便可以获得大视场广域与小视场高分辨图像；此外，DMD的微反射镜的状态可以高速切换，因此通过自由控制DMD不同区域的微反射镜的状态切换，离轴反射式区域变分辨率成像光学系统能够实现对多目标以及快速目标的识别与跟踪。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种离轴反射式区域变分辨成像光学系统，包括主反射镜，次反射镜，DMD元件，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜，第六反射镜，探测器。
所述主反射镜为系统光阑。
所述主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜为固定反射镜，空间位置不变。
所述主反射镜与次反射镜组成前置成像子系统，所述第三反射镜和第四反射镜组成第一中继子系统，所述第五反射镜和第六反射镜组成第二中继子系统。
作为优选，所述第三反射镜和第四反射镜、所述第五反射镜和第六反射镜的放大倍率满足共轭距不变的变焦关系，从而确保探测器像面位置不变。
所述DMD元件为选通元件，所述DMD元件的微反射镜阵列具有“开”、“关”、“平”三种状态，控制DMD元件微反射镜阵列为“开”状态时，可以使经DMD元件反射的光线进入第二中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为长焦距结构；控制DMD元件微反射镜阵列为“平”状态时，能够使经DMD元件反射的光线进入第一中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为短焦距结构。通过控制所述DMD元件的微反射镜阵列的状态切换，实现离轴反射式区域变分辨成像光学系统不同焦距结构的切换。
作为优选，所述第三反射镜和第四反射镜、所述第五反射镜和第六反射镜的放大倍率满足共轭距不变的变焦关系，从而确保探测器像面位置不变。
所述DMD元件为选通元件，所述DMD元件的微反射镜阵列具有“开”、“关”、“平”三种状态，控制DMD元件微反射镜阵列为“开”状态时，使经DMD元件反射的光线进入第二中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为长焦距结构；控制DMD元件微反射镜阵列为“平”状态时，可以使经DMD元件反射的光线进入第一中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为短焦距结构。通过控制所述DMD元件的微反射镜阵列的状态切换，实现离轴反射式区域变分辨成像光学系统不同焦距结构的切换。
作为优选，所述主反射镜、第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜为凹面反射镜，次反射镜和第三反射镜为凸面反射镜，主反射镜与次反射镜的反射镜面型为二次曲面，第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜的反射镜面型为高阶非球面。主反射镜和次反射镜的反射面相对安排，并形成一次中间像。DMD元件和第三反射镜的反射面相对安排。第三反射镜和第四反射镜的反射面相对安排，第三反射镜和第四反射镜组成第一中继子系统。DMD元件和第五反射镜的反射面相对安排。第五反射镜和第六反射镜的反射面相对安排，第五反射镜和第六反射镜组成第二中继子系统，第六反射镜和探测器像面相对安排。主反射镜、次反射镜与第三反射镜仅相对光轴偏心放置，无倾斜。第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜均相对光轴偏心倾斜，且偏心量与倾斜量各不相同。
作为优选，所述第三反射镜与第五反射镜可以利用单点金刚石车削技术加工于同一块反射镜镜坯上，降低装调难度；为了进一步地降低装调难度，作为优选，所述次反射镜、第三反射镜与第五反射镜可以利用单点金刚石车削技术加工于同一块反射镜镜坯上，次反射镜、第三反射镜中间可以加工一用于对准的圆形凹面反射面，实现多个反射镜的集成加工。
本发明公开的一种大相对孔径离轴四反射式非轴向变焦成像光学系统的工作方法为：
来自目标的光入射到所述主反射镜的反射面上，经该主反射镜的反射面反射后形成第一反射光，该第一反射光入射到所述次反射镜的反射面上，经该次反射镜的反射面反射后形成第二反射光，该第二反射光入射到所述DMD元件的反射面上，经该反射面反射后形成第三反射光，DMD的微反射镜的状态为“平”时，该第三反射光入射到所述第三反射镜的反射面上，经该第三反射镜的反射面反射后形成第四反射光，第四反射光入射到所述第四反射镜的反射面上，经该第四反射镜的反射面反射后被所述探测器像面接收到并成像；DMD的微反射镜的状态为“开”时，第三反射光入射到所述第五反射镜的反射面上，经该第五反射镜的反射面反射后形成第四反射光，第四反射光入射到所述第六反射镜的反射面上，经该第六反射镜的反射面反射后被所述探测器像面接收到并成像。所述DMD元件的微反射镜状态为“平”时，系统能够对较大视场进行清晰成像，当所述DMD元件的微反射镜状态为“开”时，系统切换为高分辨率的长焦状态，对视场范围内物体进行更高物方空间分辨率的清晰成像。根据实际观测需求，需要对特定视场进行更高分辨率的观测时，控制DMD元件反射面上对应的微反射镜的的状态为“开”，其余微反射镜的为“平”时，即能够实现对选定区域进行变分辨率成像的效果，无需经过图像处理。
有益效果：
1、本发明公开的一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统，基于离轴全反射式成像光学系统的结构，采用数字微镜元件DMD作为选通元件，通过控制DMD微反射镜的“开”、“平”状态的切换，无需经过图像处理便可以获得多谱段大视场广域与小视场高分辨图像，有助于提高光学系统的探测能力。
2、本发明公开的一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统，DMD元件位于一次中间像面位置，DMD元件的微反射镜与视场一一对应，控制不同区域的微反射镜的状态变化即可实现不同视场的高分辨成像，从而实现多目标的局部高分辨成像。
3、本发明公开的一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统，控制DMD元件的微反射镜的状态即可实现局部高分辨成像的效果，编程方式简单，易于控制。
4、本发明公开的一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统，利用DMD的微反射镜的状态可以高速切换的特点，可以实现对动态目标的识别与跟踪。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为空间坐标系示意图。
图3为本发明装置的短焦状态光路图。
图4为本发明装置的长焦状态光路图。
图5为次反射镜02、第三反射镜04与第五反射镜06一体化加工示意图
其中，01-主反射镜，02-次反射镜，03-DMD元件，04-第三反射镜，05-第四反射镜，06-第五反射镜，07-第六反射镜，08-探测器像面。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的主要目的是提供一种可多谱段成像的离轴反射式区域变分辨成像光学系统，包括主反射镜01，次反射镜02，DMD元件03，第三反射镜04，第四反射镜05，第五反射镜06，第六反射镜07，探测器08。
所述系统位于空间坐标系(XYZ)中，坐标轴方向如图2所示。
所述主反射镜01为一凹面反射镜，面型为二次曲面，空间位置不变，且为系统光阑，用于将来自目标的光线聚焦反射。
所述次反射镜02为一凸面反射镜，面型为二次曲面，用于将来自主反射镜01的光线再次发散反射，形成一次中间像。
所述主反射镜01和次反射镜02的反射面相对安排，并形成一次中间像。
所述第三反射镜04为一凸面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自DMD元件03的光线发散。
所述第四反射镜05为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自第三反射镜04的光线聚焦成像在探测器08像面上。
所述第三反射镜04与第四反射镜05组成第一中继子系统。
所述第五反射镜06为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自DMD元件03的光线聚焦。
所述第六反射镜07为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自第五反射镜06的光线聚焦成像在探测器08像面上。
所述第五反射镜06与所述第六反射镜07组成第二中继子系统。
作为优选，所述第三反射镜04和第四反射镜05、所述第五反射镜06和第六反射镜07的放大倍率满足共轭距不变的变焦关系，从而确保探测器像面08位置不变。
所述DMD元件03为选通元件，所述DMD元件03的微反射镜阵列具有“开”、“关”、“平”三种状态，控制DMD元件微反射镜阵列为“开”状态时，可以使经DMD元件03反射的光线进入第二中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为长焦距结构；控制DMD元件微反射镜阵列为“平”状态时，可以使经DMD元件03反射的光线进入第一中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为短焦距结构。通过控制所述DMD元件的微反射镜阵列的状态切换，实现离轴反射式区域变分辨成像光学系统不同焦距结构的切换。
作为优选，所述第三反射镜04和第四反射镜05、所述第五反射镜06和第六反射镜07的放大倍率满足共轭距不变的变焦关系，从而确保探测器像面08位置不变。
所述DMD元件03为选通元件，所述DMD元件03的微反射镜阵列具有“开”、“关”、“平”三种状态，控制DMD元件微反射镜阵列为“开”状态时，可以使经DMD元件03反射的光线进入第二中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为长焦距结构；控制DMD元件微反射镜阵列为“平”状态时，可以使经DMD元件03反射的光线进入第一中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为短焦距结构。通过控制所述DMD元件的微反射镜阵列的状态切换，实现离轴反射式区域变分辨成像光学系统不同焦距结构的切换。
二次曲面的一般表达式为：
Figure BDA0003589523030000051
8阶非球面的一般表达式为：
Figure BDA0003589523030000052
式中，z为曲面矢量高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，αi是多项式中第i项的系数。
本实施例中，所述主反射镜01、次反射镜02、第三反射镜04、第四反射镜05、第五反射镜06和第六反射镜07反射面的曲率c、二次曲面系数k、以及各项系数αi的值请分别参见表1。可以理解，曲率c、二次曲面系数k、以及各项系数αi的值也不限于表1所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表1主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04、第四反射镜05、第五反射镜06和第六反射镜07的面型参数
Figure BDA0003589523030000061
所述主反射镜01、次反射镜02、第三反射镜04、第四反射镜05、第五反射镜06和第六反射镜07可以采用铝合金、铍铝合金、碳化硅等材料作为加工基底。为了提高所述主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04、第四反射镜05、第五反射镜06和第六反射镜07的反射率，可在其各自的反射面镀银膜或金膜增反膜。
所述基于DMD的离轴反射式区域变分辨成像光学系统的工作光路如下：来自目标的光入射到所述主反射镜01的反射面上，经该主反射镜01的反射面反射后形成第一反射光，该第一反射光入射到所述次反射镜02的反射面上，经该次反射镜02的反射面反射后形成第二反射光，该第二反射光入射到所述DMD元件03的反射面上，经该反射面反射后形成第三反射光，DMD的微反射镜的状态为“平”时，该第三反射光入射到所述第三反射镜04的反射面上，经该第三反射镜04的反射面反射后形成第四反射光，第四反射光入射到所述第四反射镜05的反射面上，经该第四反射镜05的反射面反射后被所述探测器像面08接收到并成像；DMD的微反射镜的状态为“开”时，第三反射光入射到所述第五反射镜06的反射面上，经该第五反射镜06的反射面反射后形成第四反射光，第四反射光入射到所述第六反射镜07的反射面上，经该第六反射镜07的反射面反射后被所述探测器像面08接收到并成像。如图3所示为系统短焦状态示意图，所述DMD元件03的微反射镜状态为“平”时，系统可对较大视场进行清晰成像，当所述DMD元件03的微反射镜状态为“开”时，系统切换为高分辨率的长焦状态，如图4所示，对视场范围内物体进行更高物方空间分辨率的清晰成像。根据实际观测需求，需要对特定视场进行更高分辨率的观测时，控制DMD元件03反射面上对应的微反射镜的的状态为“开”，其余微反射镜的为“平”时，如图1所示，即可实现对选定区域进行变分辨率成像的效果，无需经过图像处理。
本发明实施例提供的基于DMD的离轴反射式区域变分辨成像光学系统具有以下优点：
本发明公开的一种离轴反射式区域变分辨率成像光学系统，基于离轴全反射式成像光学系统的结构，采用数字微镜元件DMD作为选通元件，通过控制DMD微反射镜的“开”、“平”状态的切换，无需经过图像处理便可以获得多谱段大视场广域与小视场高分辨图像，有助于提高光学系统的探测能力；DMD元件位于一次中间像面位置，DMD元件的微反射镜与视场一一对应，控制不同区域的微反射镜的状态变化即可实现不同视场的高分辨成像，从而实现多目标的局部高分辨成像；控制DMD元件的微反射镜的状态即可实现局部高分辨成像的效果，编程方式简单，易于控制；利用DMD的微反射镜的状态可以高速切换的特点，可以实现对动态目标的识别与跟踪。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (5)

1.一种离轴反射式区域变分辨成像光学系统，其特征在于：包括主反射镜，次反射镜，DMD元件，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜，第六反射镜，探测器；
所述主反射镜为系统光阑；
所述主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜为固定反射镜，空间位置不变；
所述主反射镜与次反射镜组成前置成像子系统，所述第三反射镜和第四反射镜组成第一中继子系统，所述第五反射镜和第六反射镜组成第二中继子系统；
所述第三反射镜和第四反射镜、所述第五反射镜和第六反射镜的放大倍率满足共轭距不变的变焦关系，从而确保探测器像面位置不变；
所述DMD元件为选通元件，所述DMD元件的微反射镜阵列具有“开”、“关”、“平”三种状态，控制DMD元件微反射镜阵列为“开”状态时，能够使经DMD元件反射的光线进入第二中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为长焦距结构；控制DMD元件微反射镜阵列为“平”状态时，能够使经DMD元件反射的光线进入第一中继子系统，此时离轴反射式区域变分辨成像光学系统为短焦距结构；通过控制所述DMD元件的微反射镜阵列的状态切换，实现离轴反射式区域变分辨成像光学系统不同焦距结构的切换，从而实现无需经过图像处理即可得到大视场广域与小视场区域高分辨图像，能够实现对多目标以及动态目标的识别与跟踪。
2.如权利要求1所述的一种离轴反射式区域变分辨成像光学系统，其特征在于：所述主反射镜、第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜为凹面反射镜，次反射镜和第三反射镜为凸面反射镜，主反射镜与次反射镜的反射镜面型为二次曲面，第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜的反射镜面型为高阶非球面；主反射镜和次反射镜的反射面相对安排，并形成一次中间像；DMD元件和第三反射镜的反射面相对安排；第三反射镜和第四反射镜的反射面相对安排，第三反射镜和第四反射镜组成第一中继子系统；DMD元件和第五反射镜的反射面相对安排；第五反射镜和第六反射镜的反射面相对安排，第五反射镜和第六反射镜组成第二中继子系统，第六反射镜和探测器像面相对安排；主反射镜、次反射镜与第三反射镜仅相对光轴偏心放置，无倾斜；第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜均相对光轴偏心倾斜，且偏心量与倾斜量各不相同。
3.如权利要求2所述的一种离轴反射式区域变分辨成像光学系统，其特征在于：所述第三反射镜与第五反射镜能够利用单点金刚石车削技术加工于同一块反射镜镜坯上，降低装调难度。
4.如权利要求3所述的一种离轴反射式区域变分辨成像光学系统，其特征在于：为了进一步地降低装调难度，所述次反射镜、第三反射镜与第五反射镜能够利用单点金刚石车削技术加工于同一块反射镜镜坯上，次反射镜、第三反射镜中间能够加工一用于对准的圆形凹面反射面，实现多个反射镜的集成加工。
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种离轴反射式区域变分辨成像光学系统，其特征在于：工作方法为，
来自目标的光入射到所述主反射镜的反射面上，经该主反射镜的反射面反射后形成第一反射光，该第一反射光入射到所述次反射镜的反射面上，经该次反射镜的反射面反射后形成第二反射光，该第二反射光入射到所述DMD元件的反射面上，经该反射面反射后形成第三反射光，DMD的微反射镜的状态为“平”时，该第三反射光入射到所述第三反射镜的反射面上，经该第三反射镜的反射面反射后形成第四反射光，第四反射光入射到所述第四反射镜的反射面上，经该第四反射镜的反射面反射后被所述探测器像面接收到并成像；DMD的微反射镜的状态为“开”时，第三反射光入射到所述第五反射镜的反射面上，经该第五反射镜的反射面反射后形成第四反射光，第四反射光入射到所述第六反射镜的反射面上，经该第六反射镜的反射面反射后被所述探测器像面接收到并成像；所述DMD元件的微反射镜状态为“平”时，系统能够对较大视场进行清晰成像，当所述DMD元件的微反射镜状态为“开”时，系统切换为高分辨率的长焦状态，对视场范围内物体进行更高物方空间分辨率的清晰成像；根据实际观测需求，需要对特定视场进行更高分辨率的观测时，控制DMD元件反射面上对应的微反射镜的状态为“开”，其余微反射镜的为“平”时，即能够实现对选定区域进行变分辨率成像的效果，无需经过图像处理。
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