CN114911052A - 一种光学扫描装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学扫描装置，包括偏转棱镜阵列和导光反射镜组；偏转棱镜阵列由数个等间隔排列在同一圆周上的偏转棱镜D1、D2、D3……Dn组成，n为偏转棱镜的个数，通光面均布在圆周平面上；导光反射镜组由两个镜面相对且平行排列的第一导光反射镜M1和第二导光反射镜M2组成，镜面中心连线与镜面夹角均为45°；每个偏转棱镜中心到偏转棱镜阵列所排列圆周圆心的距离记为R，两个导光反射镜中心连线的距离记为L，R＝L；偏转棱镜阵列中心轴线过第二导光反射镜M2中心，且垂直于第一导光反射镜M1和第二导光反射镜M2中心连线。本发明没有加速和减速过程，控制方法简单。

Description

一种光学扫描装置及控制方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种光学扫描装置及控制方法。
背景技术
通过物方光学扫描，能够有效地扩大成像系统的视场，在大范围搜索系统中具有广泛的用途。在扫描过程中，光学系统的瞄准线依次扫掠经过物空间各目标，物空间的不同目标经过光学系统聚焦，依次成像在探测器靶面上。探测器将光信号转换为电信号，最终形成目标的图像。如果扫描的速度过快，目标在积分时间内达到探测器靶面的光信号能量不足，反映到图像上就是成像模糊和拖尾，而扫描速度影响到搜索效率，往往不能降低。
有两种方式解决这个矛盾。第一种方式是采用反扫补偿机构，反扫补偿机构与扫描机构作用相反，在扫描过程中能够将瞄准线暂时稳定在物空间目标上，此时探测器相当于凝视成像。积分完成后，反扫补偿机构归零，瞄准线达到下一目标时再次反扫，重新开始积分，如此往复。第二种方式是采用变速扫描机构，当需要凝视物空间某目标时，扫描机构停止扫描，瞄准线完全稳定，积分完成后，扫描机构再次启动，将瞄准线移动到下一目标，重新开始积分，如此往复。这两种方式中，瞄准线对某个目标完成凝视后再对下一个目标进行凝视，在各个目标之间步进前进，称之为步进扫描。
这两种方式中采用了周期往复运动的反扫补偿机构，或者采用了周期往复加减速的变速扫描机构，控制方式复杂，限制了这两种扫描方式的使用范围。要简化扫描机构的控制方式，必须设计一种全新的光学扫描方式。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种光学扫描装置及控制方法，避免周期往复运动和非匀速运动，具有简单的控制方式。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光学扫描装置，包括偏转棱镜阵列和导光反射镜组两部分。
本发明的偏转棱镜阵列由数个等间隔排列在同一圆周上的偏转棱镜D1、D2、D3……Dn组成，n为偏转棱镜的个数，通光面均布在圆周平面上。
本发明的导光反射镜组由两个镜面相对且平行排列的第一导光反射镜M1和第二导光反射镜M2组成，镜面中心连线与镜面夹角均为45°。
本发明两个组分的尺寸关系为：每个偏转棱镜中心到偏转棱镜阵列所排列圆周圆心的距离记为R，两个导光反射镜中心连线的距离记为L，R＝L。
本发明两个组分的位置关系为：偏转棱镜阵列中心轴线过反射镜M2中心，且垂直于反射镜M1和M2中心连线。
本发明光路传输路径为：偏转棱镜Dn—第一导光反射镜M1—第二导光反射镜M2。
本发明的工作原理为：第一导光反射镜M1和第二导光反射镜M2通过刚性支架连接在一起，绕偏转棱镜阵列中心轴线匀速旋转，旋转过程中第一导光反射镜M1依次扫掠经过各个偏转棱镜D1、D2、D3……Dn，每个偏转棱镜能够将瞄准线偏转固定的不同角度α1、α2、α3……αn，导光反射镜组旋转一周，瞄准线在物空间相应地分别指向目标S1、S2、S3……Sn，即瞄准线的步进。第一导光反射镜M1完全进入偏转棱镜Dn口径的时间内，瞄准线偏转角总是αn，在物空间总是指向目标Sn，即瞄准线的凝视。这样，导光反射镜组匀速旋转一周，实现了在物方的一次扫描。如果目标S1、S2、S3……Sn在物空间排列为线阵，则该方式实现了线性扫描。如果目标S1、S2、S3……Sn在物空间指向排列为面阵，则该方式实现了面阵扫描。导光反射镜组持续转动，就能够实现物空间的反复扫描。在这个过程中，导光反射镜组一直在匀速运动，没有加速和减速过程，控制方法简单。
本发明的控制流程为：系统进入正常工作状态后，导光反射镜组持续匀速转动，由采样模块采集导光反射镜组的角度位置信息并传递给判读模块；判读模块对角度位置进行判读，达到预设角度位置后，判读模块向控制模块发送指示信号；控制模块收到指示信号后，向触发模块发送控制信号；触发模块收到控制信号后，触发探测器外同步，完成一次曝光并输出图像。导光反射镜组持续匀速旋转，达到下一预设角度位置后，重复上述过程。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的光学扫描装置及控制方法，具有以下有益效果：
第一，扫描过程中，导光反射镜组匀速转动，没有加速和减速过程，且转动方向不变，控制方式简单。
第二，扫描过程中，光轴以步进的方式扫掠经过物空间，通过参数调整能够控制延长警示时间，避免了采用反扫补偿机构。
第三，扫描装置中的偏振棱镜阵列和导光反射组光焦度为零，不会对后续成像系统产生影响，能够作为通用装置。
附图说明
图1是本发明装置的结构组成和原理示意图；
图2是本发明装置一种偏转棱镜光路示意图；
图3是本发明装置单通道光路示意图；
图4是本发明装置控制工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例用于长波红外波段的光学扫描装置包括偏转棱镜阵列和导光反射镜组。
在本实施例中，偏转棱镜阵列由等间隔排列在同一圆周上的8组偏转棱镜构成，圆周的直径为260mm，每个偏转棱镜的口径为70mm。导光反射镜组包括两个导光反射镜，两个导光反射镜的中心间隔为130mm，等于偏转棱镜阵列的半径。
在本实施例中，偏转棱镜采用双光楔组合的形式，如图2所示。每组双光楔采用锗和硒化锌材料，在长波红外波段具有较高的透过率。光楔的楔角和对瞄准线的偏转分别如下：
Figure BDA0003680825490000041
在本实施例中，导光反射镜组后设计视场光阑和成像组件，光路如图3所示。成像组件的垂直视场为20°，水平视场为16°，经过各个偏转棱镜后，垂直视场保持不变，水平视场范围分别如下表所示。各个水平视场之间存在5.2°的重叠区域，视场重叠率为32.5％。经过视场拼接后，该装置垂直视场为20°，水平拼接视场覆盖范围为91.6°。
Figure BDA0003680825490000042
Figure BDA0003680825490000051
在本实施例中，导光反射镜的转速为720°/s，拼接图像的刷新频率为2Hz。孔径光阑设计在导光反射镜M1上，口径为35mm。导光反射镜组匀速旋转过程中，孔径光阑依次进入各个偏转棱镜的通光口径。在孔径光阑完全进入偏转棱镜的通光口径内，成像组件开始曝光，这个过程中导光反射镜组转动15°，曝光持续时间20ms；在孔径光阑部分离开和部分进入偏转棱镜的通光口径时，成像组件不曝光，这个过程中导光反射镜组转动30°，不曝光持续时间40ms。
本实施例中，开始曝光的时间由导光反射镜组的位置决定。导光反射镜组位置信息通过角度模块获取，判读模块对角度位置进行判读，达到预设角度后，判读模块向控制模块发送指示信号，控制模块收到指示信号后，向触发模块发送控制信号，触发模块收到控制信号后，触发探测器开始曝光，完成曝光后输出一副完整图像。导光反射镜组持续匀速旋转，达到下一预设角度位置后，重复上述过程。控制流程如图4所示。
以上所述仅为发明的一个实施例而己，并不用以限制本装置，凡在本实施例的原理基础所作的任何修改和等同替换，包括但不限于偏转棱镜的个数、形式和尺寸，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学扫描装置，其特征在于，包括偏转棱镜阵列和导光反射镜组；偏转棱镜阵列由数个等间隔排列在同一圆周上的偏转棱镜D1、D2、D3……Dn组成，n为偏转棱镜的个数，通光面均布在圆周平面上；导光反射镜组由两个镜面相对且平行排列的第一导光反射镜M1和第二导光反射镜M2组成，镜面中心连线与镜面夹角均为45°；每个偏转棱镜中心到偏转棱镜阵列所排列圆周圆心的距离记为R，两个导光反射镜中心连线的距离记为L，R＝L；偏转棱镜阵列中心轴线过第二导光反射镜M2中心，且垂直于第一导光反射镜M1和第二导光反射镜M2中心连线。
2.如权利要求1所述的光学扫描装置，其特征在于，光路传输路径为：偏转棱镜Di—第一导光反射镜M1—第二导光反射镜M2，i＝1，2，......，n。
3.如权利要求1所述的光学扫描装置，其特征在于，所述第一导光反射镜M1和第二导光反射镜M2通过刚性支架连接在一起，绕偏转棱镜阵列中心轴线匀速旋转。
4.如权利要求3所述的光学扫描装置，其特征在于，所述第一导光反射镜M1和第二导光反射镜M2旋转过程中，第一导光反射镜M1依次扫掠经过各个偏转棱镜D1、D2、D3……Dn，每个偏转棱镜将瞄准线偏转固定的不同角度α1、α2、α3……αn，导光反射镜组旋转一周，瞄准线在物空间相应地分别指向目标S1、S2、S3……Sn，即瞄准线的步进；第一导光反射镜M1完全进入偏转棱镜Dn口径的时间内，瞄准线偏转角总是αn，在物空间总是指向目标Sn，即瞄准线的凝视；导光反射镜组匀速旋转一周，实现了物方扫描。
5.如权利要求4所述的光学扫描装置，其特征在于，所述目标S1、S2、S3……Sn在物空间排列为线阵，实现物空间线性扫描。
6.如权利要求4所述的光学扫描装置，其特征在于，所述目标S1、S2、S3……Sn在物空间指向排列为面阵，实现物空间面阵扫描。
7.如权利要求1所述的光学扫描装置，其特征在于，所述偏转棱镜采用双光楔组合形式。
8.如权利要求7所述的光学扫描装置，其特征在于，每组所述双光楔采用锗和硒化锌材料。
9.基于权利要求1-8中任一项所述光学扫描装置的控制方法，其特征在于，系统进入正常工作状态后，导光反射镜组持续匀速转动，由采样模块采集导光反射镜组的角度位置信息并传递给判读模块；判读模块对角度位置进行判读，达到预设角度位置后，判读模块向控制模块发送指示信号；控制模块收到指示信号后，向触发模块发送控制信号；触发模块收到控制信号后，触发探测器外同步，完成一次曝光并输出图像。导光反射镜组持续匀速旋转，达到下一预设角度位置后，重复上述过程。
10.权利要求1-8中任一项所述光学扫描装置在光学技术领域中的应用。
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