一种多孔径近距大视区光学系统及扫描镜的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多孔径近距大视区光学系统及扫描镜的设计方法。光学系统由后方光学、光学通道A的孔径和光学通道B的孔径、二维转折镜、二维扫描镜组成。二维扫描镜对被探测面ABCDEF区域内目标进行二维扫描。根据光路可逆原理，扫描镜的设计方法如下：首先，建立坐标系并计算各面和各点的坐标信息；其次，在光学设计文件中建立模型并求解：1)求解二维转折镜的坐标姿态；2)分别设置两个孔径的视场渐晕系数；3)求解二维扫描镜坐标姿态；4)建模各孔径视场和扫描姿态；5)调整光学模型中二维扫描镜的姿态，使其与机械模型的一致；6)确定二维扫描镜的尺寸。该设计方法相比于纯粹的几何光线理论计算更为具体准确快捷。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔径近距大视区光学系统及扫描镜的设计方法
本专利技术涉及光学元件设计，具体是指一种多孔径近距大视区光学系统及扫描镜的设计方法。
技术介绍
航天航空遥感领域的仪器，为了降低光学设计难度，降低其对光电接收器件的要求，同时为增大探测视场，通过扫描镜实现大视场探测。例如，线阵多光谱成像系统中，通过扫描镜旋转，使接收的瞬时视场作垂直于飞行方向的运动，从而实现行扫描，配合飞行器的向前运动，完成二维扫描。这类系统的扫描特点是：扫描镜作一维来回扫描，扫描镜之后的静态光学系统的视场不大，为毫弧度量级，扫描镜在不同的扫描角度下其光束足印大小与扫描角度相关较大，而与静态光学系统的视场相关较小，因此扫描镜设计相对简单。由于体积重量等资源限制，遥感仪器对其光机系统的空间布局和元器件尺寸等要求日趋苛刻。为了节省空间、重量，可以结合光学系统空间布局、多通道共用前端光学、二维扫描探测等方式，用轻小紧凑的静态光学系统和二维扫面镜来实现大区域内的遥感探测。这种光学系统的扫描镜设计，既要使所有信号光进入系统，又没有多余的无效区域，使设计出的扫描镜最小。借助理论计算，按照几何光学来计算扫描光束外围在扫描镜面上的轨迹从而确定扫描镜尺寸，这种方法比较抽象且繁琐，尤其对于空间布局的、多个通道所使用的光束口径和视场角等参数不同的系统而言更甚。本专利技术涉及的一种多孔径近距大视区系统扫描镜的设计方法，具体、简单。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：基于已有技术存在的一些问题，设计一种二维扫描镜光学元件，对近距离被探测面实现大区域内的扫描探测。本专利技术的光学系统如图1所示。光学系统由后方光学1、光学通道A的孔径2和光学通道B的孔径3、二维转折镜4、二维扫描镜5组成。光学通道A和光学通道B有各自的口径和视场，共用前方的二维转折镜4和二维扫描镜5。二维扫描镜5对被探测面ABCDEF区域内目标进行二维扫描，每一个扫描姿态的信号光经过二维扫描镜5，反射至二维转折镜4，分孔径进入光学通道A的孔径2和光学通道B的孔径3，再进入后方光学1。所述的光学系统的二维转折镜4在光轴方向距离孔径2、3为z，二维扫描镜5距离二维转折镜为x，y，二维扫描镜5中心距离被探测面垂直距离为H，扫描区域为ABCDEF,摇摆扫描角度为α+β，俯仰扫描角度为θ，如图2所示。所述的一种多孔径近距系统扫描镜的设计方法，根据光路可逆原理，光线从后方光学1到光学通道A的孔径2和光学通道B的孔径3，再经二维转折镜4反射到二维扫描镜5上，再反射到被探测面。具体步骤如下:首先建立全局坐标系并计算各面和各点的坐标信息：以孔径2、3合成孔径中心为光学系统全局坐标的原点(0,0,0)，则二维转折镜4坐标是(0，0，z1)，二维扫描镜5坐标是(x2，y2，z2)，被探测面扫描区域ABCDEF坐标分别为A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，D(xd，yd，zd)，E(xe，ye，ze)，F(xf，yf，zf)，其中，xa＝x,ya＝-H-y,za＝z；xb＝x,yb＝-H-y,zb＝H·tanα+z；xc＝H·tanθ+x,yc＝-H-y,zc＝H·tanα+z；xd＝H·tanθ+x,yd＝-H-y,zd＝z；xe＝H·tanθ+x,ye＝-H-y,ze＝-H·tanβ+z；xf＝x,yf＝-H-y,zf＝-H·tanβ+z；其次在光学设计文件中建立模型并求解：1)二维转折镜4的坐标姿态求解根据二维转折镜4和二维扫描镜5的坐标关系，将二维转折镜4的镜面角度x向和y向设为变量V，进行优化求解得到二维转折镜4的坐标姿态；2)各孔径视场渐晕求解根据各光学通道的孔径大小和离轴量定义孔径，设置视场信息，自动设置各视场渐晕系数；3)二维扫描镜5局部坐标姿态求解将ABCDEF点对应的二维扫描镜5的姿态设置为不同的布局，按步骤1)计算的坐标值，在优化函数中定义对应布局中的中心视场的像点坐标；将二维扫描镜5和被探测面的间隔初始值按布局依次设置为布局1：H，布局2：((H·tanα)2+H2)^0.5，布局3：((H·tanα)2+(H·tanθ)2+H2)0.5，布局4：((H·tanθ)2+H2)0.5，布局5：((H·tanβ)2+(H·tanθ)2+H2)0.5，布局6：((H·tanβ)2+H2)0.5，以上数据或者用SolidWorks建立全局坐标模型后测量出来；再将二维扫描镜5的镜面角度x向和y向设为变量V，将二维扫描镜5和被探测面的间隔设为V，进行优化得到6个边缘扫描点对应的扫描镜坐标姿态；4)各孔径视场和扫描姿态建模在光学设计软件中，将孔径2、3设置为2个布局，输入各自的视场和渐晕系数，这是第1层多重结构；将二维扫描镜5的姿态设置为上一步优化求解出的姿态，将ABCDEF点对应的二维扫描镜5的姿态设置为6个布局，这是第2层多重结构；与孔径视场信息的第1重结构并用，共有12个布局；5)调整二维扫描镜5光学坐标与机械转轴一致将光学模型装配到光机模型中，约束机械模型的中二维扫描镜5绕扫描机构的俯仰轴和方位轴旋转，将光学模型和机械模型中二维扫描镜5进行平行配合，两镜片在镜面法线z轴存在一定夹角；按此角度再回到光学设计文件中调整二维扫描镜5绕镜面法线z轴角度，生成新的光学模型；再将其导入机械模型中进行镜面平行配合，此时每一个扫描姿态对应的镜面都与机械转轴旋转出的镜面位置重合；6)二维扫描镜5尺寸确定根据6个扫描区域点的光斑足印图得到二维扫描镜5的轮廓，据此确定二维扫描镜5的尺寸。本专利技术光学系统的优点是：1.该设计方法非常适用于空间排布的多孔径的光学系统二维扫描镜设计，利用光学设计软件进行光线逆向追迹，足印图具体直接显示出扫描镜的光束包络从而得到扫描镜的外形轮廓。该方法相比于纯粹的几何光线理论计算，更为具体、准确、快捷。2.将光学设计文件中的带光线的光学模型直接导入机械模型中，根据某一光学元件的配合，可以结合系统的机械模型，该方法也可以用于遮光罩设计。附图说明图1为多孔径近距大视区光学系统扫描示意图，图2为多孔径近距大视区光学系统各向视图，(a)为yz向视图，(b)为xy向视图，(c)为xz向视图图3为扫描镜绕镜面法线旋转示意图，(a)为旋转前(b)为旋转后，图中：1为后方光学；2为光学通道A的孔径；3为光学通道B的孔径；4为二维转折镜；5为二维扫描镜。具体实施方式根据图1的光学结构图，设计了一大视区双孔径近距系统扫描镜。光学系统的并行排布光学通道A和光学通道B，通道A孔径2，视场4.24°×4.24°；通道B孔径3，视场4.24°×4.24°。两孔径尺寸均为10mm×10mm，中心相距12mm。二维转折镜4光轴z向距离孔径2、3的共孔径的中心30mm，二维扫描镜5距离x向129mm，y向83.5mm，扫描镜距离地面垂直距离H为1.7M，地面扫描区域ABCDEF,摇摆扫描角度50°～-60°，俯仰扫描角度0～60°。表1各点全局坐标表2二维转折镜局部坐标姿态求解绕x轴旋转绕y轴旋转28.52°-36.41°表3各孔径视场渐晕求解表4二维扫描镜5局部坐标姿态求解对应扫描区域绕x轴旋转绕y轴旋转A24.42°15.11°B1.45°34.76°C30.74°50.04°D53.85°27.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔径近距大视区光学系统，它由后方光学(1)、光学通道A的孔径(2)和光学通道B的孔径(3)、二维转折镜(4)、二维扫描镜(5)组成，其特征在于：所述的光学通道A和光学通道B有各自的口径和视场，共用前方的二维转折镜(4)和二维扫描镜(5)；二维扫描镜(5)对被探测面ABCDEF区域内目标进行二维扫描，每一个扫描姿态的信号光经过二维扫描镜(5)，反射至二维转折镜(4)，再分孔径进入光学通道A的孔径(2)、光学通道B的孔径(3)，再进入后方光学系统(1)。

【技术特征摘要】
2014.12.09 CN 20141074848901.一种多孔径近距大视区光学系统，它由后方光学系统(1)、光学通道A的孔径(2)和光学通道B的孔径(3)、二维转折镜(4)、二维扫描镜(5)组成，其特征在于：所述的光学通道A和光学通道B有各自的口径和视场，共用前方的二维转折镜(4)和二维扫描镜(5)；二维扫描镜(5)对被探测面ABCDEF区域内目标进行二维扫描，每一个扫描姿态的信号光经过二维扫描镜(5)，反射至二维转折镜(4)，再分孔径进入光学通道A的孔径(2)、光学通道B的孔径(3)，再进入后方光学系统(1)；所述的二维扫描镜(5)的设计方法如下：所述的二维转折镜(4)光轴方向距离孔径(2、3)为z，二维扫描镜5距离二维转折镜为x，-y，二维扫描镜(5)中心距离被探测面垂直距离为H，扫描区域为ABCDEF,向左摇摆扫描角度为α，向右摇摆扫描角度为β，俯仰扫描角度为θ；首先建立全局坐标系并计算各面和各点的坐标信息：以孔径(2、3)合成孔径中心为光学系统全局坐标的原点(0,0,0)，则二维转折镜(4)坐标是(0，0，z1)，二维扫描镜(5)坐标是(x2，y2，z2)，被探测面扫描区域ABCDEF坐标分别为A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，D(xd，yd，zd)，E(xe，ye，ze)，F(xf，yf，zf)，其中，xa＝x,ya＝-H-y,za＝z；xb＝x,yb＝-H-y,zb＝H·tanα+z；xc＝H·tanθ+x,yc＝-H-y,zc＝H·tanα+z；xd＝H·tanθ+x,yd＝-H-y,zd＝z；xe＝H·tanθ+x,ye＝-H-y,ze＝-H·tanβ+z；xf＝x,yf＝-H-y,zf＝-H·tanβ+z；其次在光学设计文件中建立模型并求解：1)二维转折镜(4)的坐标姿态求解根据二维转折镜(4)和二维扫描镜(5)的坐标关系，将二维转折镜(4)的镜面角度x...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁立银，何志平，舒嵘，王建宇，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31