基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，由目標(biāo)生成系統(tǒng)、分光鏡、可變形鏡、投影光學(xué)系統(tǒng)組成，其中：所述目標(biāo)生成系統(tǒng)，從物面一側(cè)依次由第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡組成；所述投影光學(xué)系統(tǒng)，從物面一側(cè)依次由第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第十透鏡、第十一透鏡、第十二透鏡和第十三透鏡組成。通過本發(fā)明提供的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，可以在實(shí)驗(yàn)室中模擬出飛行器側(cè)窗的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響的情況，為氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的分析與校正提供了前提基礎(chǔ)，并且該方式簡單、直觀，相對(duì)于以往的計(jì)算機(jī)仿真方法來模擬氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)要精確的多。
【專利說明】基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器。

【背景技術(shù)】
[0002]由于大氣湍流的影響，使得在高空中飛行的飛行器側(cè)窗所探測(cè)到的目標(biāo)像產(chǎn)生了一定的抖動(dòng)、偏移或者模糊，這種影響我們稱為氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)。
[0003]由于氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的存在，使得在空中高速飛行飛行器側(cè)窗受到很嚴(yán)重的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的影響，為了得到清晰準(zhǔn)確的圖像，必須考慮如何消除這種影響。而消除的前提是了解它的本質(zhì)，所以首先考慮仿真出這種影響，這樣，才能為后續(xù)的消除提供充分的理論基礎(chǔ)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，為以后的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的提供依據(jù)。
[0005]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]—種基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，由目標(biāo)生成系統(tǒng)、分光鏡、可變形鏡、投影光學(xué)系統(tǒng)組成，其中:
[0007]所述目標(biāo)生成系統(tǒng)，從物面一側(cè)依次由第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡組成；
[0008]所述投影光學(xué)系統(tǒng)，從物面一側(cè)依次由第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第十透鏡、第十一透鏡、第十二透鏡和第十三透鏡組成；
[0009]紅外雙波段球面波經(jīng)過目標(biāo)生成系統(tǒng)后，調(diào)制成從無限遠(yuǎn)處發(fā)出的平面光波，然后入射到分光鏡上面，經(jīng)分光鏡透射后入射到可變形鏡，經(jīng)可變形鏡反射后把平面光波調(diào)制成不同波前形狀的光波，然后被調(diào)制后的光波再次反射到分光鏡上，經(jīng)分光鏡反射后進(jìn)入投影光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束，最后經(jīng)過透射后的光束出射后充滿被測(cè)系統(tǒng)入瞳。
[0010]上述模擬器中，所述第一透鏡、第六透鏡、第十一透鏡為凹面彎向物面一側(cè)的彎月負(fù)透鏡。
[0011]上述模擬器中，所述第二透鏡、第五透鏡、第九透鏡為凹面彎向物面一側(cè)的彎月正透鏡。
[0012]上述模擬器中，所述第三透鏡和第十透鏡為雙凹負(fù)透鏡。
[0013]上述模擬器中，所述第四透鏡和第十三透鏡為雙凸正透鏡。
[0014]上述模擬器中，所述第七透鏡、第八透鏡為凹面彎向像面一側(cè)的彎月負(fù)透鏡。
[0015]上述模擬器中，所述第一反射鏡和第二反射鏡垂直于光軸45°放置。
[0016]上述模擬器中，所述第十二透鏡為凹面彎向像面一側(cè)的彎月正透鏡。
[0017]上述模擬器中，所述分光鏡緊鄰著目標(biāo)生成系統(tǒng)，是一個(gè)半反半透的分光鏡，分光鏡后面是可變形反射鏡。
[0018]上述模擬器中，所述第一透鏡、第九透鏡、第十透鏡的材料是ZNSE。
[0019]上述模擬器中，所述第四透鏡、第六透鏡、第十三透鏡的材料是ZNS。
[0020]上述模擬器中，所述第二透鏡、第三透鏡、第五透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第i^一透鏡、第十二透鏡的材料是GE。
[0021]上述模擬器中，所述模擬器的孔徑光闌位于可變形鏡處。
[0022]上述模擬器中，所述目標(biāo)生成系統(tǒng)與投影光學(xué)系統(tǒng)在位置上實(shí)現(xiàn)光瞳銜接。
[0023]上述模擬器中，所述分光鏡的材料是ZNSE。
[0024]上述模擬器中，所述黑體目標(biāo)源放在目標(biāo)生成系統(tǒng)的物方焦點(diǎn)上，并發(fā)出波長為3-5.5 μ m，7.5-12 μ m的紅外雙波段球面波。
[0025]上述模擬器中，所述目標(biāo)生成系統(tǒng)把接收到的球面波變?yōu)槠矫娌?，相?dāng)于目標(biāo)放在無窮遠(yuǎn)進(jìn)行成像，同時(shí)還起到聚光作用。
[0026]上述模擬器中，所述分光鏡垂直于光軸成45°放置，使用分光鏡的好處是可以讓可變形鏡垂直于光軸放置，這樣可以充分利用可變形鏡的有效口徑。
[0027]上述模擬器中，所述可變形鏡位于目標(biāo)生成系統(tǒng)的出瞳位置，垂直于光軸放置，入射到可變形鏡的平面光波，由于可變形鏡的表面變形，在平面光波上附加了波前畸變，因此經(jīng)過可變形鏡反射后的光波波前產(chǎn)生了失真，這種影響可以很好的模擬氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。
[0028]上述模擬器中，所述可變形鏡的型號(hào)是法國ALPAO公司生產(chǎn)的DM69，口徑是10.5mm，產(chǎn)生的失真波前要經(jīng)過擴(kuò)束、準(zhǔn)直后才能充滿被測(cè)系統(tǒng)的入瞳，被測(cè)系統(tǒng)接收的波前失真的紅外目標(biāo)圖像像質(zhì)將發(fā)生退化，通過評(píng)價(jià)圖像退化(如模糊、偏移和抖動(dòng)等)程度，完成對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的模擬?？勺冃午R產(chǎn)生的畸變波前不能充滿被測(cè)系統(tǒng)入瞳，需對(duì)可變形鏡反射的基本波前進(jìn)行擴(kuò)束。
[0029]上述模擬器中，所述被測(cè)系統(tǒng)入瞳位于投影光學(xué)系統(tǒng)出瞳處，可變形鏡位于投影光學(xué)系統(tǒng)入瞳處。
[0030]上述模擬器中，所述被可變形鏡反射后的產(chǎn)生了波前變形的光波透過分光鏡進(jìn)入投影光學(xué)系統(tǒng)擴(kuò)束，充滿被測(cè)系統(tǒng)入瞳。
[0031]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，涉及紅外雙波段，并且完全采用透射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且出射光半視場達(dá)到了 1°，對(duì)于這樣的指標(biāo)，達(dá)到好的成像質(zhì)量是很難的。經(jīng)過不斷的優(yōu)化，還有材料的更換，最終設(shè)計(jì)出比較理想的系統(tǒng)。系統(tǒng)中透鏡的材料分別是適合雙波段使用的ZNS、ZNSE, GE。系統(tǒng)的出瞳距離達(dá)到280mm，為后續(xù)接被測(cè)系統(tǒng)留下了充足的空間。另夕卜，系統(tǒng)中投影光學(xué)系統(tǒng)的放大率達(dá)到十倍，那么被測(cè)系統(tǒng)的通光口徑可以達(dá)到105_ ;出射光的分辨率是0.1mrad,擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍率是10,所以目標(biāo)生成系統(tǒng)的出射光分辨率是Imrad，又因?yàn)閾?jù)目標(biāo)生成系統(tǒng)的焦距是80mm，計(jì)算出可以分辨的單個(gè)像元的大小為:
[0032]D = 2ff tanw = 2*80 (mm) *tan0.001 = 0.16mm。
[0033]這樣要求系統(tǒng)的彌散斑的直徑要小于0.16mm,因此，系統(tǒng)的空間頻率應(yīng)為: II
[0034]——=-= 3.1251p/mm
2D 2x0.16/77/77




ο
[0035]為了便于觀察，我們就取為41p/mm。這樣，得出系統(tǒng)的MTF曲線(圖2)在41p/mm時(shí)，傳函值大于0.7，且接近衍射極限，成像質(zhì)量很好。
[0036]對(duì)于系統(tǒng)的點(diǎn)列圖(圖3，所有視場的點(diǎn)列圖都在艾里斑內(nèi)，視場內(nèi)最大的RMS波相差小于 0.036 λ = 0.288um。
[0037]因?yàn)橄到y(tǒng)成像質(zhì)量的要求，還有紅外雙波段成像的限定，使得系統(tǒng)的總體長度比較長，為了減小總體長度，本發(fā)明中使用了兩片反射鏡來折疊光路，減小后的總體長度為703mmo
[0038]通過本發(fā)明提供的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，可以在實(shí)驗(yàn)室中模擬出飛行器側(cè)窗的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響的情況，為氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的分析與校正提供了前提基礎(chǔ)，并且該方式簡單、直觀，相對(duì)于以往的計(jì)算機(jī)仿真方法來模擬氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)要精確的多。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1是本發(fā)明基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器的結(jié)構(gòu)圖；
[0040]圖2是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF ；
[0041]圖3是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖Spot Diagram。

【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0043]本發(fā)明提供了一種基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模擬器從物面一側(cè)依次是第一透鏡LI，第二透鏡L2，第三透鏡L3，第四透鏡L4，分光鏡L5，可變形鏡L6，第五透鏡L7，第六透鏡L8，第七透鏡L9，第八透鏡LlO，第九透鏡L11，第一反射鏡L12，第二反射鏡L13，第十透鏡L14，第^^一透鏡L15，第十二透鏡L16，第十三透鏡L17,其中光闌位于可變形鏡L6處,第一反射鏡L12與第二反射鏡L13用來折疊光路。需要注意的是，本系統(tǒng)中的光路圖是反向設(shè)計(jì)的結(jié)果，我們?cè)谕局袠?biāo)著的物面，應(yīng)該是光學(xué)設(shè)計(jì)軟件里面的像面，不過是實(shí)際應(yīng)用中的物面。
[0044]實(shí)際使用時(shí)，目標(biāo)源發(fā)出的紅外雙波段球面波經(jīng)過第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3和第四透鏡L4透射后，調(diào)制成從無限遠(yuǎn)處發(fā)出的平面光波，然后入射到分光鏡L5上面，經(jīng)分光鏡L5透射后入射到可變形鏡L6，經(jīng)可變形鏡L6反射后把平面光波調(diào)制成不同波前形狀的光波，然后被調(diào)制后的光波再次反射到分光鏡L5上，經(jīng)分光鏡反射后依次經(jīng)過第五透鏡L7、第六透鏡L8、第七透鏡L9、第八透鏡L10、第九透鏡L11、第一反射鏡L12、第二反射鏡L13、第十透鏡L14、第i^一透鏡L15、第十二透鏡L16、第十三透鏡L17后充滿被測(cè)系統(tǒng)入瞳。
[0045]所述模擬器的角出射光分辨率達(dá)到0.1mrad,據(jù)目標(biāo)生成系統(tǒng)的焦距是80mm，與之相對(duì)應(yīng)的最大彌散斑直徑是0.16mm，然后得出系統(tǒng)的空間頻率為41p/mm，并且MTF的值大于0.7。系統(tǒng)的總體長度為703mm，出瞳距離達(dá)到280mm，并且通光口徑也達(dá)到了 105臟。
[0046]所述模擬器的典型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1和表2，其中表1是本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)參數(shù)，表2是本系統(tǒng)中每一片透鏡的具體參數(shù)值。
[0047]表1
[0048]

【權(quán)利要求】
1.一種基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器由目標(biāo)生成系統(tǒng)、分光鏡、可變形鏡、投影光學(xué)系統(tǒng)組成，其中: 所述目標(biāo)生成系統(tǒng)，從物面一側(cè)依次由第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡組成； 所述投影光學(xué)系統(tǒng)，從物面一側(cè)依次由第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第十透鏡、第H^一透鏡、第十二透鏡和第十三透鏡組成； 紅外雙波段球面波經(jīng)過目標(biāo)生成系統(tǒng)后，調(diào)制成從無限遠(yuǎn)處發(fā)出的平面光波，然后入射到分光鏡上面，經(jīng)分光鏡透射后入射到可變形鏡，經(jīng)可變形鏡反射后把平面光波調(diào)制成不同波前形狀的光波，然后被調(diào)制后的光波再次反射到分光鏡上，經(jīng)分光鏡反射后進(jìn)入投影光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束，最后經(jīng)過透射后的光束出射后充滿被測(cè)系統(tǒng)入瞳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述第一透鏡、第六透鏡、十一透鏡為凹面彎向物面一側(cè)的彎月負(fù)透鏡；所述第二透鏡、第五透鏡、第九透鏡為凹面彎向物面一側(cè)的彎月正透鏡；所述第三透鏡和第十透鏡為雙凹負(fù)透鏡；所述第四透鏡和第十三透鏡為雙凸正透鏡；所述第七透鏡、第八透鏡為凹面彎向像面一側(cè)的彎月負(fù)透鏡；所述第十二透鏡為凹面彎向像面一側(cè)的彎月正透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述第一反射鏡和第二反射鏡垂直于光軸45°放置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述第一透鏡、第九透鏡、第十透鏡的材料是ZNSE ;所述第四透鏡、第六透鏡、第十三透鏡的材料是ZNS ;所述第二透鏡、第三透鏡、第五透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第i^一透鏡、第十二透鏡的材料是GE。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述模擬器的孔徑光闌位于可變形鏡處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述分光鏡的材料是ZNSE。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述紅外雙波段球面波的波長為3-5.5 μ m、7.5-12 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述分光鏡垂直于光軸成45°放置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述可變形鏡位于的出瞳位置，垂直于光軸放置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于失真圖像的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬器，其特征在于所述被測(cè)系統(tǒng)入瞳位于投影光學(xué)系統(tǒng)出瞳處，可變形鏡位于投影光學(xué)系統(tǒng)入瞳處。
【文檔編號(hào)】G01M9/06GK104183177SQ201410456264
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】王麗, 羅軍, 陳婷, 張旺, 黨凡陽, 李濤, 汪東生, 王玉雷, 范志剛 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)