專利名稱：一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)及其標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變焦距光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系 統(tǒng)及其標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
變焦距光學(xué)系統(tǒng)是一種焦距可以連續(xù)變化而像面位置保持相對穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)， 通過移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)透鏡組使焦距在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，并保持像面位置不變，目前，常 用的變焦距光學(xué)系統(tǒng)主要為機(jī)械補(bǔ)償變焦距系統(tǒng)，機(jī)械補(bǔ)償變焦距系統(tǒng)主要靠凸輪的非線 性運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)焦距的連續(xù)變化，這種機(jī)械補(bǔ)償變焦距系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)是凸輪的加工精度在 很大程度上決定了這種變焦距系統(tǒng)的成像質(zhì)量，凸輪的加工精度不能保證，從而降低了每 個(gè)焦距位置的成像質(zhì)量，只能對幾個(gè)主要焦距的像差校正得比較好，而且這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，裝調(diào)困難。受環(huán)境溫度、濕度等條件的影響，這種系統(tǒng)的機(jī)械及玻璃元件都會(huì)發(fā)生一定 的變形，進(jìn)而造成系統(tǒng)成像質(zhì)量的下降。發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有機(jī)械補(bǔ)償變焦距系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)械凸輪變焦存在的成像質(zhì)量低、只能對 幾個(gè)主要焦距的像差校正得比較好、環(huán)境適應(yīng)性差、裝調(diào)困難的問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu) 簡單、能夠?qū)ο癫钸M(jìn)行自適應(yīng)校正、裝調(diào)方便、成像質(zhì)量高、誤差小的無遮攔自適應(yīng)變焦距 光學(xué)系統(tǒng)及其標(biāo)定方法。
本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明提供一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，包括兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射 鏡、成像透鏡組、分光鏡、成像相機(jī)、視場光闌、第一準(zhǔn)直透鏡、Shack-Hartmann波前傳感器 和自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件；
所述Shack-Hartmann波前傳感器與所述自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件相連，所述自適應(yīng) 控制系統(tǒng)組件與所述兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡相連；
目標(biāo)光依次經(jīng)過各個(gè)變形反射鏡進(jìn)入到成像透鏡組中，經(jīng)過成像透鏡組的會(huì)聚 后，一部分目標(biāo)光經(jīng)過分光鏡進(jìn)入到成像相機(jī)中進(jìn)行成像，另一部分目標(biāo)光經(jīng)過分光鏡反 射并通過視場光闌進(jìn)入到第一準(zhǔn)直透鏡中，第一準(zhǔn)直透鏡將目標(biāo)光準(zhǔn)直成平行光進(jìn)入到 Shack-Hartmann波前傳感器中，Shack-Hartmann波前傳感器測量出像點(diǎn)數(shù)據(jù)，自適應(yīng)控制 系統(tǒng)組件根據(jù)像點(diǎn)數(shù)據(jù)解算出波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，從而控制兩個(gè)或兩個(gè)以上 變形反射鏡中的至少一個(gè)變形反射鏡對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差進(jìn)行校正。
所述兩個(gè)變形反射鏡包括依次排列的一個(gè)第一變形反射鏡和一個(gè)第二變形反射 鏡;
所述兩個(gè)以上變形反射鏡包括依次排列的至少一個(gè)第一變形反射鏡和至少一個(gè)第二變形反射鏡。
所述第一變形反射鏡包括
薄變形鏡片；
與所述薄變形鏡片的下表面粘接固定的促動(dòng)器；
與所述促動(dòng)器的下端面粘接固定的基底；
所述薄變形鏡片的圓周與所述基底通過固定支撐桿固定，所述促動(dòng)器位于所述薄 變形鏡片和基底之間的中心位置。
所述第二變形反射鏡包括
薄變形鏡片；
與所述薄變形鏡片的下表面粘接固定的至少兩個(gè)促動(dòng)器；
與所述至少兩個(gè)促動(dòng)器的下端面粘接固定的基底；
所述至少兩個(gè)促動(dòng)器均布在所述薄變形鏡片和基底之間的位置。
所述Shack-Hartmann波前傳感器主要由微透鏡陣列和CXD相機(jī)組成，目標(biāo)光經(jīng)過 第一準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直成平行光入射到微透鏡陣列上，微透鏡陣列將平行光會(huì)聚到CCD相機(jī)上 并在CXD相機(jī)上形成多個(gè)像點(diǎn)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件根據(jù)CXD相機(jī)上的像點(diǎn)數(shù)據(jù)解算出波 像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，從而控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中的至少一個(gè)變形反 射鏡對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差進(jìn)行校正。
所述自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件包括
與所述CXD相機(jī)相連的CXD相機(jī)信號(hào)采集卡；
與所述CXD相機(jī)信號(hào)采集卡相連的主控計(jì)算機(jī)；
與所述主控計(jì)算機(jī)相連的D/A轉(zhuǎn)換卡；
與所述D/A轉(zhuǎn)換卡相連的高壓放大器，所述高壓放大器與所述兩個(gè)或兩個(gè)以上變 形反射鏡中的至少一個(gè)變形反射鏡相連；
所述主控計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的主控軟件對所述CCD相機(jī)信號(hào)采集卡采集的CCD相機(jī)的 像點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，解算出波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，校正信號(hào)通過所述D/A轉(zhuǎn)換 卡轉(zhuǎn)換后再經(jīng)高壓放大器放大，給出變形反射鏡的校正量，通過高壓放大器控制兩個(gè)或兩 個(gè)以上變形反射鏡中的至少一個(gè)變形反射鏡對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差進(jìn)行校正。
本發(fā)明還提供一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，該方法的步驟如 下將標(biāo)定光源組件移入該變焦距光學(xué)系統(tǒng)中，標(biāo)定光源組件發(fā)出的光線依次經(jīng)過各個(gè) 變形反射鏡，再進(jìn)入到成像透鏡組中，成像透鏡組對由變形反射鏡反射來的目標(biāo)光進(jìn)行 會(huì)聚，會(huì)聚后的目標(biāo)光經(jīng)過分光鏡，一部分目標(biāo)光進(jìn)入成像相機(jī)中進(jìn)行成像，另一部分目 標(biāo)光經(jīng)過視場光闌進(jìn)入到第一準(zhǔn)直透鏡中，第一準(zhǔn)直透鏡將目標(biāo)光準(zhǔn)直成平行光入射到 Shack-Hartmann波前傳感器中的微透鏡陣列上，微透鏡陣列再將平行光會(huì)聚到CXD相機(jī) 上，在C⑶相機(jī)上形成多個(gè)像點(diǎn)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件中的CXD相機(jī)信號(hào)采集卡采集CXD 相機(jī)的像點(diǎn)數(shù)據(jù)，主控計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的主控軟件根據(jù)像點(diǎn)數(shù)據(jù)可解算出該變焦距光學(xué)系統(tǒng) 的波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，校正信號(hào)先通過D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換后再經(jīng)高壓放大器放 大，給出變形反射鏡的校正量，通過高壓放大器控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中至少一 個(gè)變形反射鏡，使促動(dòng)器進(jìn)行推拉運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對鏡面面形的校正，重復(fù)上述采集計(jì)算校正過 程，直到測得的波像差小于該變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定的閾值，同時(shí)監(jiān)測成像相機(jī)上的成像質(zhì) 量。
所述標(biāo)定光源組件包括
步進(jìn)電機(jī)控制平移臺(tái)；
依次安裝在所述步進(jìn)電機(jī)控制平移臺(tái)上的標(biāo)定光源、第二準(zhǔn)直透鏡和平面反射 鏡;
所述標(biāo)定光源發(fā)出的光線經(jīng)過所述第二準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，再經(jīng)過所述平面反射鏡 反射進(jìn)入到兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中，并對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。
本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng) 采用兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡作為變焦距控制組件，充分利用了變形反射鏡能夠?qū)崿F(xiàn)離 焦控制的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)變焦距光學(xué)系統(tǒng)的變焦距控制，省去了機(jī)械凸輪設(shè)計(jì)加工 的麻煩；本發(fā)明采用了無遮攔式光學(xué)設(shè)計(jì)，充分利用了目標(biāo)光的入射效率；本發(fā)明應(yīng)用了 自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，采用Shack-Hartmann波前傳感器,實(shí)現(xiàn)對波像差的自適應(yīng)校正控制，對 由加工、裝調(diào)、形變、氣流擾動(dòng)等因素造成的波像差進(jìn)行主動(dòng)校正控制，使變焦距光學(xué)系統(tǒng) 的性能接近理想狀況，從而提高光學(xué)成像質(zhì)量。
本發(fā)明的變焦距光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便，成像質(zhì)量高，適用于需要變焦距控 制的攝像、目標(biāo)跟蹤記錄等的光學(xué)系統(tǒng)以及需要連續(xù)變焦距的成像光學(xué)系統(tǒng)中。


圖I為本發(fā)明的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)的示意圖2為第一變形反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖3為第二變形反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖4為Shack-Hartmann波前傳感器的基本原理示意圖5為自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件的結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)定過程示意圖。
圖中1、第一變形反射鏡，2、第二變形反射鏡，3、成像透鏡組，4、分光鏡，5、成像相 機(jī)，6、視場光闌，7、第一準(zhǔn)直透鏡，8、Shack-Hartmann波前傳感器，81、微透鏡陣列，82、CXD 相機(jī)，9、CXD相機(jī)信號(hào)采集卡，10、主控計(jì)算機(jī)，11、D/A轉(zhuǎn)換卡，12、高壓放大器，13、薄變形 鏡片，14、促動(dòng)器，15、基底，16、固定支撐桿，17、標(biāo)定光源，18、第二準(zhǔn)直透鏡，19、平面反射 鏡，20、步進(jìn)電機(jī)控制平移臺(tái)，21、自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖I所示，本發(fā)明的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，主要由兩個(gè)或兩個(gè)以 上變形反射鏡、成像光學(xué)組件、視場光闌6、第一準(zhǔn)直透鏡7、Shack-Hartmann波前傳感器8 和自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件21組成，兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡放置在成像光學(xué)組件的前端， 目標(biāo)光先依次經(jīng)過各個(gè)變形反射鏡，然后再進(jìn)入成像光學(xué)組件中，一部分目標(biāo)光在成像光 學(xué)組件中進(jìn)行成像，另一部分目標(biāo)光經(jīng)過視場光闌6進(jìn)入第一準(zhǔn)直透鏡7中，第一準(zhǔn)直透鏡 7將目標(biāo)光準(zhǔn)直成平行光進(jìn)入Shack-Hartmann波前傳感器8中，Shack-Hartmann波前傳感 器8測量出像點(diǎn)數(shù)據(jù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件21根據(jù)像點(diǎn)數(shù)據(jù)解算出該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波 像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，從而控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中的至少一個(gè)第二變 形反射鏡對系統(tǒng)波像差進(jìn)行校正。
變形反射鏡用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變焦距控制，主要有兩種形式可以實(shí)現(xiàn)，包括第一變 形反射鏡I和第二變形反射鏡2，如圖2所示，第一變形反射鏡I由薄變形鏡片13、促動(dòng)器 14、基底15和固定支撐桿16組成，薄變形鏡片13的上表面經(jīng)過拋光、鍍膜作為反射面，薄 變形鏡片13的下表面和促動(dòng)器14的上端面粘接固定，促動(dòng)器14的下端面粘接固定在基底 15上，促動(dòng)器14位于第一變形反射鏡I的中心位置，通過控制促動(dòng)器14的推拉運(yùn)動(dòng)來改變 薄變形鏡片13的鏡面面形，根據(jù)離焦控制需求，薄變形鏡片13的圓周與基底15之間采用 固定支撐桿16固定，第一變形反射鏡I中只有一個(gè)促動(dòng)器14，只能對鏡面進(jìn)行離焦控制，不 能對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)中的波像差進(jìn)行校正，如圖3所示，第二變形反射鏡2由薄變形鏡片13、基底15和至少兩個(gè)促動(dòng)器14組成，薄變形鏡片13、促動(dòng)器14和基底15的連接方式與 第一反射鏡I中的相同，至少兩個(gè)促動(dòng)器14均布在薄變形鏡片13和基底15之間，第二變 形反射鏡2中的薄變形鏡片13下面有多個(gè)促動(dòng)器14，既可以實(shí)現(xiàn)對鏡面的離焦控制，又可 以對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差進(jìn)行校正?；?5可以采用玻璃基底或者其他材料的基。
在本發(fā)明的變焦距光學(xué)系統(tǒng)中，可以根據(jù)該系統(tǒng)的實(shí)際需要及系統(tǒng)控制的難易程 度適當(dāng)?shù)卦黾幼冃畏瓷溏R的數(shù)量，變形反射鏡之間根據(jù)空間關(guān)系，可以增加平面反射鏡19 作為光路折返使用，在滿足空間位置關(guān)系，又對光線不造成遮攔的情況下，應(yīng)盡量保證入射 目標(biāo)光線與鏡面光軸的夾角較小，這樣就能盡量保證變形鏡在兩維空間校正頻率上面的一 致性；兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡分別包括至少一個(gè)第一變形反射鏡I和至少一個(gè)第二變 形反射鏡2，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)控制需要而選用。
如圖I所示，成像光學(xué)組件位于兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡之后，由成像透鏡組3、分光鏡4和成像相機(jī)5組成，成像透鏡組3對由兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡反射來的目 標(biāo)光進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚后的目標(biāo)光經(jīng)過分光鏡4，一部分進(jìn)入成像相機(jī)5中進(jìn)行成像，另一部 分目標(biāo)光經(jīng)過視場光闌6進(jìn)入第一準(zhǔn)直透鏡7中,第一準(zhǔn)直透鏡7將目標(biāo)光準(zhǔn)直成平行光 進(jìn)入Shack-Hartmann波前傳感器8中進(jìn)行波前探測。
如圖I所示，成像透鏡組3只用一個(gè)光學(xué)透鏡做示意，但是該成像透鏡組3包括至 少一個(gè)合適的光學(xué)透鏡，根據(jù)使用條件、相對孔徑和視場等要求確定該成像透鏡組3的具 體結(jié)構(gòu)形式。
如圖4所示，Shack-Hartmann波前傳感器8的基本元件是微透鏡陣列81和(XD相 機(jī)82，第一準(zhǔn)直透鏡7將經(jīng)過分光鏡4之后的另一部分目標(biāo)光準(zhǔn)直成平行光入射到微透鏡 陣列81上，微透鏡陣列81再將平行光會(huì)聚到CXD相機(jī)82上，在CXD相機(jī)82上形成多個(gè)像 點(diǎn)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件21根據(jù)CCD相機(jī)82上的像點(diǎn)數(shù)據(jù)解算出該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波 像差并輸出相應(yīng)的校正信號(hào)，從而控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中的至少一個(gè)第二變形 反射鏡2對鏡面面形進(jìn)行校正。
如圖4所示，微透鏡陣列81對來自第一準(zhǔn)直透鏡7的平行光實(shí)現(xiàn)分割測量，當(dāng)平 行光為參考平面波時(shí)，微透鏡陣列81中的每個(gè)微透鏡在CCD相機(jī)82上所成的像點(diǎn)均位于 光軸上，可以把這些像點(diǎn)當(dāng)做參考點(diǎn)，而當(dāng)平行光有畸變時(shí)，每個(gè)微透鏡在CCD相機(jī)82上所 成的像點(diǎn)相對參考點(diǎn)會(huì)有二維偏移，通過對該偏移量進(jìn)行計(jì)算，并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理就可 以擬合出畸變波面，控制該變焦距光學(xué)系統(tǒng)中的至少一個(gè)第二變形反射鏡2對該畸變波面 進(jìn)行校正，就可以使該變焦距光學(xué)系統(tǒng)接近衍射極限性能。
當(dāng)校正的目標(biāo)光為面目標(biāo)時(shí)，需要在目標(biāo)光會(huì)聚點(diǎn)，也就是第一準(zhǔn)直透鏡7的前 焦點(diǎn)位置放置一個(gè)視場光闌6，從而限制微透鏡陣列81在CXD相機(jī)82上形成的像點(diǎn)大小， 便于Shack-Hartmann波前傳感器8對像點(diǎn)數(shù)據(jù)的提取解算；當(dāng)校正的目標(biāo)光為點(diǎn)目標(biāo)時(shí)， 可以選擇放置或者不放置視場光闌6。
如圖5所示，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件21包括CXD相機(jī)信號(hào)采集卡9、主控計(jì)算機(jī)10、 D/A轉(zhuǎn)換卡11和高壓放大器12，CXD相機(jī)信號(hào)采集卡9與CXD相機(jī)82相連，用于采集CXD 相機(jī)82的像點(diǎn)數(shù)據(jù)，主控計(jì)算機(jī)10中運(yùn)行的主控軟件對CCD相機(jī)信號(hào)采集卡9采集的CCD 相機(jī)82的像點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，解算出該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差并輸出相應(yīng)的校正信號(hào)， 校正信號(hào)先通過D/A轉(zhuǎn)換卡11轉(zhuǎn)換后再經(jīng)高壓放大器12放大，給出變形反射鏡的校正量， 通過高壓放大器12控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中至少一個(gè)第二變形反射鏡2，使促動(dòng) 器14進(jìn)行推拉運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對鏡面面形的校正，從而校正該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差，提高 成像質(zhì)量。
本發(fā)明的變焦距光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)像差校正方法具體為目標(biāo)光先依次經(jīng)過各個(gè)變 形反射鏡，然后再進(jìn)入成像透鏡組3中，成像透鏡組3對由變形反射鏡反射來的目標(biāo)光進(jìn) 行會(huì)聚，會(huì)聚后的目標(biāo)光經(jīng)過分光鏡4，一部分進(jìn)入成像相機(jī)5中進(jìn)行成像，另一部分目標(biāo) 光經(jīng)過視場光闌6進(jìn)入第一準(zhǔn)直透鏡7中，第一準(zhǔn)直透鏡7將目標(biāo)光準(zhǔn)直成平行光入射到 Shack-Hartmann波前傳感器8中的微透鏡陣列81上，微透鏡陣列81再將平行光會(huì)聚到CXD 相機(jī)82上，在CXD相機(jī)82上形成多個(gè)像點(diǎn)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件21中的CXD相機(jī)信號(hào)采 集卡9采集(XD相機(jī)82的像點(diǎn)數(shù)據(jù)，主控計(jì)算機(jī)10中運(yùn)行的主控軟件根據(jù)(XD相機(jī)82上 的像點(diǎn)數(shù)據(jù)可解算出該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，校正信號(hào)先通 過D/A轉(zhuǎn)換卡11轉(zhuǎn)換后再經(jīng)高壓放大器12放大，給出變形反射鏡的校正量，通過高壓放大 器12控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中至少一個(gè)第二變形反射鏡2，使促動(dòng)器14進(jìn)行推拉 運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對鏡面面形的校正，從而校正該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差，提高成像質(zhì)量。
本發(fā)明的變焦距光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)像差校正方法可以校正由氣流引起的光學(xué)波面 擾動(dòng)，同時(shí)還可以校正由環(huán)境溫濕度變化造成的機(jī)械、光學(xué)元件變形對光學(xué)成像的影響，還 可以對系統(tǒng)的裝調(diào)誤差和鏡面像差等進(jìn)行自適應(yīng)光學(xué)校正，提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
本發(fā)明的變焦距光學(xué)系統(tǒng)在對目標(biāo)進(jìn)行成像之前，需要對其進(jìn)行標(biāo)定，采用標(biāo)定 光源組件對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，如圖6所示，標(biāo)定光源組件由標(biāo)定光源17、第二準(zhǔn) 直透鏡18、平面反射鏡19和步進(jìn)電機(jī)控制平移臺(tái)20組成，標(biāo)定光源17、第二準(zhǔn)直透鏡18、 平面反射鏡19依次安裝在步進(jìn)電機(jī)控制平移臺(tái)20上，第二準(zhǔn)直透鏡18安裝在標(biāo)定光源17 和平面反射鏡19之間位置，平面反射鏡19的放置角度是由成像透鏡組3決定，只要調(diào)整平 面反射鏡19、第一變形反射鏡I和第二變形反射鏡2的傾斜角度，使標(biāo)定光線正好入射到成 像透鏡組3中即可，標(biāo)定光源17給系統(tǒng)提供基準(zhǔn)平面波，標(biāo)定光源17發(fā)出的光線經(jīng)過第二 準(zhǔn)直透鏡18準(zhǔn)直后，再經(jīng)過平面反射鏡19反射進(jìn)入到兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡及后續(xù) 光路中。標(biāo)定光源組件在該變焦距光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)移入系統(tǒng)中，在標(biāo)定之后移出系統(tǒng)。
本發(fā)明的變焦距光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)定方法具體為將標(biāo)定光源組件通過步進(jìn)電機(jī)控制 平移臺(tái)20移入該變焦距光學(xué)系統(tǒng)中，標(biāo)定光源17發(fā)出的光線經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡18準(zhǔn)直 后，再經(jīng)過平面反射鏡19反射依次經(jīng)過各個(gè)變形反射鏡，然后再進(jìn)入成像透鏡組3中，成像 透鏡組3對由變形反射鏡反射來的目標(biāo)光進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚后的目標(biāo)光經(jīng)過分光鏡4，一部分進(jìn)入成像相機(jī)5中進(jìn)行成像，另一部分目標(biāo)光經(jīng)過視場光闌6進(jìn)入第一準(zhǔn)直透鏡7中，第一 準(zhǔn)直透鏡7將目標(biāo)光準(zhǔn)直成平行光入射到Shack-Hartmann波前傳感器8中的微透鏡陣列 81上，微透鏡陣列81再將平行光會(huì)聚到CXD相機(jī)82上，在CXD相機(jī)82上形成多個(gè)像點(diǎn)， 根據(jù)CCD相機(jī)82上的像點(diǎn)數(shù)據(jù)可解算出該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件 21中的CXD相機(jī)信號(hào)采集卡9采集CXD相機(jī)82的像點(diǎn)數(shù)據(jù)，主控計(jì)算機(jī)10中運(yùn)行的主控 軟件由像點(diǎn)數(shù)據(jù)解算出波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，校正信號(hào)先通過D/A轉(zhuǎn)換卡11轉(zhuǎn) 換后再經(jīng)高壓放大器12放大，給出變形反射鏡的校正量，通過高壓放大器12控制兩個(gè)或兩 個(gè)以上變形反射鏡中至少一個(gè)第二變形反射鏡2，使促動(dòng)器14進(jìn)行推拉運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對鏡面 面形的校正，重復(fù)上述采集計(jì)算校正過程，直到測得的波像差小于該變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定 的閾值(如小于1/30波長)，同時(shí)監(jiān)測成像相機(jī)5上的成像質(zhì)量，理想情況下，在校正后應(yīng)能 觀測到衍射斑。系統(tǒng)標(biāo)定后，利用步進(jìn)電機(jī)控制平移臺(tái)20將標(biāo)定光源組件從系統(tǒng)中移出， 該變焦距光學(xué)系統(tǒng)就可以對目標(biāo)進(jìn)行成像。
對本發(fā)明的變焦距光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，一方面可以校正掉變形反射鏡的初始面形 誤差，另一方面可以校正系統(tǒng)裝調(diào)的殘余誤差，同時(shí)，利用標(biāo)定光源17，還可以對系統(tǒng)的變 焦距性能進(jìn)行驗(yàn)證測試。
權(quán)利要求
1.一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡、成像透鏡組(3)、分光鏡(4)、成像相機(jī)(5)、視場光闌(6)、第一準(zhǔn)直透鏡(7)、 Shack-Hartmann波前傳感器(8)和自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件(21)；所述Shack-Hartmann波前傳感器(8 )與所述自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件(21)相連,所述自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件(21)與所述兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡相連；目標(biāo)光依次經(jīng)過各個(gè)變形反射鏡進(jìn)入到成像透鏡組(3)中，經(jīng)過成像透鏡組(3)的會(huì)聚后，一部分目標(biāo)光經(jīng)過分光鏡(4)進(jìn)入到成像相機(jī)(5)中進(jìn)行成像，另一部分目標(biāo)光經(jīng)過分光鏡(4 )反射并通過視場光闌(6 )進(jìn)入到第一準(zhǔn)直透鏡(7 )中，第一準(zhǔn)直透鏡(7 )將目標(biāo)光準(zhǔn)直成平行光進(jìn)入到Shack-Hartmann波前傳感器(8)中，Shack-Hartmann波前傳感器(8)測量出像點(diǎn)數(shù)據(jù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件(21)根據(jù)像點(diǎn)數(shù)據(jù)解算出波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，從而控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中的至少一個(gè)變形反射鏡對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差進(jìn)行校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個(gè)變形反射鏡包括依次排列的一個(gè)第一變形反射鏡(I)和一個(gè)第二變形反射鏡(2)；所述兩個(gè)以上變形反射鏡包括依次排列的至少一個(gè)第一變形反射鏡(I)和至少一個(gè)第二變形反射鏡(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一變形反射鏡(I)包括薄變形鏡片(13)；與所述薄變形鏡片(13)的下表面粘接固定的促動(dòng)器(14)；與所述促動(dòng)器(14)的下端面粘接固定的基底(15)；所述薄變形鏡片(13)的圓周與所述基底(15)通過固定支撐桿(16)固定，所述促動(dòng)器 (14)位于所述薄變形鏡片(13)和基底(15)之間的中心位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二變形反射鏡(2)包括薄變形鏡片(13)；與所述薄變形鏡片(13)的下表面粘接固定的至少兩個(gè)促動(dòng)器(14)；與所述至少兩個(gè)促動(dòng)器(14)的下端面粘接固定的基底(15)；所述至少兩個(gè)促動(dòng)器(14)均布在所述薄變形鏡片(13)和基底(15)之間的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述Shack-Hartmann波前傳感器(8)主要由微透鏡陣列(81)和(XD相機(jī)(82)組成，目標(biāo)光經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡(7)準(zhǔn)直成平行光入射到微透鏡陣列(81)上，微透鏡陣列(81)將平行光會(huì)聚到C⑶相機(jī)(82)上并在C⑶相機(jī)(82)上形成多個(gè)像點(diǎn)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件(21) 根據(jù)CCD相機(jī)(82)上的像點(diǎn)數(shù)據(jù)解算出波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，從而控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中的至少一個(gè)變形反射鏡對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差進(jìn)行校正。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件(21)包括與所述CXD相機(jī)(82)相連的CXD相機(jī)信號(hào)采集卡(9)；與所述CXD相機(jī)信號(hào)采集卡(9)相連的主控計(jì)算機(jī)(10);與所述主控計(jì)算機(jī)(10)相連的D/A轉(zhuǎn)換卡(11);與所述D/A轉(zhuǎn)換卡(11)相連的高壓放大器(12)，所述高壓放大器(12)與所述兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡相連；所述主控計(jì)算機(jī)(10)中運(yùn)行的主控軟件對所述CCD相機(jī)信號(hào)采集卡(9)采集的CCD相機(jī)(82)的像點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，解算出波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，校正信號(hào)通過所述 D/A轉(zhuǎn)換卡(11)轉(zhuǎn)換后再經(jīng)高壓放大器(12)放大，給出變形反射鏡的校正量，通過高壓放大器(12)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中的至少一個(gè)變形反射鏡對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差進(jìn)行校正。
7.如權(quán)利要求I所述的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于， 該方法的步驟如下將標(biāo)定光源組件移入該變焦距光學(xué)系統(tǒng)中，標(biāo)定光源組件發(fā)出的光線依次經(jīng)過各個(gè)變形反射鏡，再進(jìn)入到成像透鏡組(3 )中，成像透鏡組(3 )對由變形反射鏡反射來的目標(biāo)光進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚后的目標(biāo)光經(jīng)過分光鏡(4), 一部分目標(biāo)光進(jìn)入成像相機(jī)(5) 中進(jìn)行成像，另一部分目標(biāo)光經(jīng)過視場光闌(6 )進(jìn)入到第一準(zhǔn)直透鏡(7 )中，第一準(zhǔn)直透鏡(7)將目標(biāo)光準(zhǔn)直成平行光入射到Shack-Hartmann波前傳感器(8)中的微透鏡陣列(81) 上，微透鏡陣列(81)再將平行光會(huì)聚到CXD相機(jī)(82)上，在CXD相機(jī)(82)上形成多個(gè)像點(diǎn)， 自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件(21)中的CXD相機(jī)信號(hào)采集卡(9)采集CXD相機(jī)(82)的像點(diǎn)數(shù)據(jù)，主控計(jì)算機(jī)(10)中運(yùn)行的主控軟件根據(jù)像點(diǎn)數(shù)據(jù)可解算出該變焦距光學(xué)系統(tǒng)的波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，校正信號(hào)先通過D/A轉(zhuǎn)換卡(11)轉(zhuǎn)換后再經(jīng)高壓放大器(12)放大， 給出變形反射鏡的校正量，通過高壓放大器(12)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中至少一個(gè)變形反射鏡，使促動(dòng)器(14)進(jìn)行推拉運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對鏡面面形的校正，重復(fù)上述采集計(jì)算校正過程，直到測得的波像差小于該變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定的閾值，同時(shí)監(jiān)測成像相機(jī)(5)上的成像質(zhì)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于，所述標(biāo)定光源組件包括步進(jìn)電機(jī)控制平移臺(tái)(20);依次安裝在所述步進(jìn)電機(jī)控制平移臺(tái)(20)上的標(biāo)定光源(17)、第二準(zhǔn)直透鏡(18)和平面反射鏡(19)；所述標(biāo)定光源(17)發(fā)出的光線經(jīng)過所述第二準(zhǔn)直透鏡(18)準(zhǔn)直后，再經(jīng)過所述平面反射鏡(19)反射進(jìn)入到兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡中，并對該變焦距光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。
全文摘要
一種無遮攔自適應(yīng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)及其標(biāo)定方法，該系統(tǒng)利用變形反射鏡進(jìn)行變焦距控制，該系統(tǒng)中的Shack-Hartmann波前傳感器與自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件相連，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件與兩個(gè)或兩個(gè)以上變形反射鏡相連；目標(biāo)光依次經(jīng)過各個(gè)變形反射鏡進(jìn)入到成像透鏡組中，會(huì)聚后的一部分目標(biāo)光經(jīng)分光鏡進(jìn)入成像相機(jī)中成像，另一部分經(jīng)分光鏡反射通過視場光闌進(jìn)入第一準(zhǔn)直透鏡中，準(zhǔn)直成平行光進(jìn)入到Shack-Hartmann波前傳感器中并測量出像點(diǎn)數(shù)據(jù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)組件根據(jù)像點(diǎn)數(shù)據(jù)解算出波像差并運(yùn)算出相應(yīng)的校正信號(hào)，控制至少一個(gè)變形反射鏡對系統(tǒng)波像差進(jìn)行校正。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便，成像質(zhì)量高。
文檔編號(hào)G02B26/06GK102981270SQ20121057067
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者林旭東, 劉欣悅, 王建立, 衛(wèi)沛鋒, 王亮 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所