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动态目标模拟器用视景仿真镜头光学设计

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  • 发布时间:2014-11-28
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空间飞行器发展至今光学成像设备在飞行器上的使用越来越广泛 ,既有焦距长达几 m甚 至十几 m,对地分辨率为几百 mm 的相机 ,也有焦距 只有几 mm至几十 mm的监控相机,如对接相机、降落相机 。其 中监控相机 具有焦距短 、视场大 的特点 ,同时监控相机还有成像 目标不 固定 、成像条件复杂、工况多等特点 ,-部分监控相机具有测量功能需要对 目标的图像进行位 置、调光 等运算。在监控相机的研制过程中,为保证成像系统的整体性能,必须对各项指标进行详细而 准确 的测试 和验证 ,受到测试条件以及测试手段的限制 ,常规地面测试只能对成像 系统的技术指标 、性 能进行简单的测试,若想对成像效果以及算法进行测试需要提供目标的动态图像。随着近年来探月任务越来越频繁,月球着陆成为探月行动 中必不可少 的环节,为保证探测器能够在月球表面合适的位置降落,需要使用监控相机对月球表面的地貌进行成像并对图像进行分析,为着陆器选择合适的降落位置,避免着陆器降落过程中出现危险,光学敏感器作为监控相机成为完成这-功能的重要组成部分1 ]。为实现对光学敏感器下落过程进行模拟并测试光学敏感器的成像效果以及进行算法验证,本文提出了- 种以液晶投影仪显示 系统为核心部件的动态目标模拟器方案。动态 目标模拟器主要用于对光学敏感器 的功能和性能测试 以及系统闭环测试 。动态 目标模拟器 由控制计算机接收上位机地形位置指向命令,为光学敏感器提供着陆器下方月面地形信息的模拟地形图[4 ]。动态目标模拟器不仅给出清晰的模拟地形图,而且保证图像 的刷新速度,在控制分 系统 测试 中作为敏感器的观测 目标源 ,进行光 闭路 试验 ,以测试、验证光学成像敏感器以及控制分系统 的性能 ]。本文根据动态 目标模拟器的特点设计了-种透射式 l0景仿真镜头 ,该系统的出瞳位于光学 系统 的外部 ,出射光线为锥形汇聚出射,以保证与光学敏感器光学接口的关系,光学系统的焦距为负值,光谱范围为可见光范围。

1 工作原理动态 目标模 拟器 由内置液晶显示系统、视景仿真镜头、外置投影仪、图像生成计算机、电缆、支架及调整机构组成 ,如图 1所示 。

图 1 动态光学 目标模拟器组成图Fig.1 Schematic of dynamic optical target simulator动态目标模拟器选用液晶投影仪的显示系统作为图形生成装置 ,将模拟器置 于光学敏感器镜头前。测试设备控制计算机将地形位置指向命令(光学成像敏感器坐标轴在月心系中的位置、指向、太 阳方位和距离月面的高度)传递给图像生成计算机,图像生成计算机根据接收到的指令生成模拟地形图并控制液晶光阀将图像显示出来,液晶光阀位于动态目标模拟器视景仿真镜头的焦平面位置,视景仿真镜头对液晶光阀成像后形成平行光出射,可在有 限距离上产生无 限远效果模 拟真实月面的观测 效果,光学敏感器接 收视 景仿 真镜头的出射光线并成像完成模拟试验。

为 了验证敏感器光学 系统 的性能 ,控制计 算机具有图像显示功能,即在进行试验时记录所生成的模拟 图像 ,同时将生成的月面地形 图通过 外置投影仪投影到屏幕上,通过对比光学敏感器于屏幕上投射的图像判断模拟效果的准确性。

2 技术要求动态目标模拟器视景仿真镜头设计原则为实现视尝角分辨率以及出瞳位置与光学敏感器相匹配,因此视景仿真镜头的设计参数由光学敏感器的指标决定。综合考虑光学敏感器的指标后视景仿真镜头指标要求见表 1所示。

· 28 · 应用光学 2013,34(1) 魏忠伦,等:动态目标模拟器用视景仿真镜头光学设计表 1 镜 头主要技术参数Table 1 M ain technical paramete of lens有效视场 ≥3O。×3O。

出瞳距 ≥40 mm图像分辨率 ≥1 024X1 024光谱范围 600 nm~800 nm中心设计波长 700 nm不低于 8.12 w/(sr·rn )图像 亮度可调 (600 nm800 nm范围内)3 指标分析为满足亮度以及分辨率的要求选用 sony投影仪,投影仪的液晶光阀的尺寸为2 cm(0.79英寸)、比例为 4:3即光阀尺寸为 16.05 mm(水平)×12.04 mm(垂直),液 晶光 阀的分辨率 为 1 365×1 024,此型号投影仪中液晶光阀的分辨率满足指标要求的图像分辨率 1 024×1 024。

视景仿真镜头出射的平行光的口径的确定与光学敏感器的光学系统参数统-考虑 :首先视 景仿真镜头的出瞳位置与光学敏感器入瞳的位置重合 ,保证全视场各点发 出的光进入光学 敏感 器的光通量相同,光学敏感器 的人瞳位于其光学 系统内部,所以视景仿真镜头的出瞳位于光学系统外部;其次视景仿真镜头的出瞳直径不小于光学敏感器的入瞳直径,考虑光学敏感器 的人 瞳直径 对于能量的限制作用,视景仿真镜头的出瞳直径选为光学敏感器入瞳直径 的 1~2倍 ,以避免 因出瞳直径过大引起的能量浪费,同时还可以降低动态目标模拟器与光学敏感 器的对准精度 ,视 景仿 真镜头的出瞳直径过小则不符合光瞳匹配原则g。 。

3.1 系.统视场光学敏感器的接收端图像为正方形且光学敏感器的光学系统的视城为30。×30。(对角线视场为 41.5。),因此要求视景仿真镜头的视城在水平以及垂直方向上全视场不小于 30。;光学敏感器的角分辨率为 1.8 ,为保证动态 目标模拟器的角分辨率,视景仿真镜头的视场选为 3O。×30。,此时的模拟器光学系统角分辨率为 1.76 ,满足光学敏感器对于角分辨率的要求。

3.2 系统焦距动态目标模拟器选用 sonyXX型投影仪的显示系统作为图形生成装置,投影仪型号-经选定后液晶光阀的尺寸就确定下来 ,模拟器光学 系统的物面尺寸也就确定下来。液晶光阀的尺寸为 2cm(0.79)英寸、比例为 4:3即光 阀尺寸为 16.O5mm(水平)X 12.04 mm(垂直),液 晶光 阀的分辨率为 1 365×1 024。

视景仿真镜头的视城确定为在水平以及垂直方向上全视场为 3O。,因此有效 的液晶光阀显示区域为 1 024×1 024像素所 占用 区域 ,有效尺寸为 12.04 mm×12.04 mm。

根据公式:y-ixtanw可知 y-6.02 mm, -15。,视景仿真镜头焦距为-22。47 mm3.3 系统相对孔径光学敏感器的入瞳直径为 2.87 mm,综合考虑到液晶的特性以及光瞳匹配 ,F数选用(f/D)-5,模拟器光学系统的出瞳直径选为D-//#-22.47/5-4.5 mm。

3.4 系统图像分辨率液晶光阀的尺寸为 2 cm(0.79英寸)、比例为4:3,即光阀尺寸为 l6.05 mm(水平)×12.04 mm(垂直),液晶光阀的分辨率为 1 365×1 024,液晶光阀的像素大小为 l1.76 m,折算为奈奎斯特频率为 42.5 lp/mm。光学敏感器的分辨率要求为 33lp/mm,所以视景仿真镜头的 MTF在奈奎斯特频率42.5 lp/mm处达到 0.4时,满足光学敏感器对于模拟器光学系统的分辨率要求。

3.5 系统 出瞳距指标要求中要求视景仿真镜头的出瞳距不小于 40 mm,考虑光瞳匹配以及装配过程中的余量,设计过程时选取模拟器光学系统的出瞳距离为,41 mm 。

3.6 系统波长范围波长范 围为 600 nm~800 nm,中心波长 为700 nm 。

3.7 有效通光孔径视景仿真镜头的通光 口径由视城的大孝出瞳直径、光学敏感 器的通光 口径大小 以及动态目标模拟器可以靠近光学敏感器的最朽离共同决定,因此视景仿真镜头的通光口径应该大于光应用光学 2013,34(1) 魏忠伦,等:动态目标模拟器用视景仿真镜头光学设计 ·29 ·学敏感器的通光 口径 。入瞳直径为 4.5 mm,入视城为 22.5。,则有效孔径大小为 36 ITlm。

4 设计思想视景仿真镜头 的焦距大约为-22.47 mm,而投影仪中 X棱镜 的尺寸为 28 mm,棱镜距离液 晶光阀的距离大约为 5 1Tim左右 ,因此光学系统的工作距离至少为 38 mm,大于焦距。液晶光阀照明系统属于均匀照明,液晶光阀在透光时具有-定角度范围,动态 目标模拟器的光学系统要保证对液晶光阀均匀成像。为保证动态 目标模拟器能够与光学敏感器 相互配合使用,动态 目标 模拟器光学系统的出瞳位置需要位于光学系统之外,并且距离镜头表面不少于 40 mm。

根据指标中对模拟器光学系统 出瞳距离的要求以及出瞳直径值可以确定光学系统通光口的直径为 36 mm左右,模拟器光学系统 的焦距只有22.47 mm,如果采用大相对 口径的光学系统会增加设计难度以及加工装调精度的要 求。为降低光学系统的设计难度,降低加工装调精度同时保证光学系统的出瞳位于镜头外部,采用二次成像方式,考虑光学系统的工作距离以及与液晶光阀的照明系统相匹配 ,采用反远结构形式的远心光路 。

液晶光阀显示图像 (4)经过投影镜组- (2)成中间像 ,投影镜组二(1)的焦面位于 中间像 面的位置 ,光线经过 投影镜组二后 以平行光 出射 进入光学敏感器 内。

图 2 光学 系统示意图Fig.2 Schematic of optical system5 设计结果5.1 指标实现a)系统视城对角线视场为 45。,有效视场为 3O。1.5 ×30。

c)系统相对孔径 :F数选用 (f/D)-5,入瞳直径 D-4.5 mm。

d)系统分辨率光学系统 MTF为0.4(奈奎斯特频率为 42.5lp/mm)。

f)系统波长范围波长范 围为 600 nm~ 800 nm,中心 波长 为700 nFO。

g)有效孔径系统入瞳直径为 4.489 4 mm,入视城为22.5。,则有效通光孔径为 35.904 mlTl。

5.2 系统结构及设计结果经过优化设计后 的系统结构如图 3所示。

图 3 光学 系统结构Fig.3 Optical structure of system光学系统传递函数如图 4所示。

图 4 系统传递 函数Fig.4 M odulation transfer function of system光学系统在奈奎斯特频率 42.5 lp/mm处的传递函数 MTF优于 0.45,光学系统的成像质量满足使用要求。

光学系统畸变如图 5所示 ,光学系统的畸变小于 1 ,满足对模拟器 的使用要求。

· 3O · 应用光学 2O13,34(1) 魏忠伦,等:动态目标模拟器用视景仿真镜头光学设计视城 ))- 17.26- l1.70· 5.91- 1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0畸变图 5 系统畸变 图Fig.5 Distortion of optical system光学系统点列 图如图 6所示 。光学系统最大光斑直径为 8.3 m,最小光斑直径为 3.7 m,小于液晶光阀的像元尺寸。

图 6 光学系统点列图Fig.6 Spot diagram of optical system5.3 系统均匀性分析对敏感器与动态光学目标模拟器整体配合后敏感器像面照度均匀性进行仿真分析,仿真计算后的结果如图 7所示。

敏感器与动态光学目标模拟器整体配合使用后敏感器像面照度均匀性不小于 95.4%。

邑g匠0.0000.002恒受 0.001水平方向/mm(a)- 2 -l 0 l 2像面位置/mm(b)图 7 光学敏感器像面照度均匀性Fig.7 Image plane ilumination uniformity of optical sensors5.4 测试结果对光学系统 的视场 角、出瞳直径 、出瞳距 离、光学传递 函数 、图像 亮度、不均匀度进行 了检验,检验结果见表 2所示 。

表 2 指标检测结果Table 2 Measurement result of indices测试项 目 测试指标 测试结果有效视 场有效孔径出瞳距光学系统传递函数≥3O。×3O。

(全视场 41.5。)≥ 4 lrtl 5 rfilTl≥ 40 mrfl 4O inrfi≥0.4O.54(41.5 lp/mm处 )发光 面不均匀度 优于 ±5 ±4.8不低 于 高 于图像亮度8.12 /( . )8.2 w/( .rn2W sr m 1 sr fi) · W ·动态目标模拟器与光学敏感器配合使用后的实际成像效果如图 8所示。

应用光学 2013,34(1) 魏忠伦 ,等 :动态 目标模 拟器用视景仿真镜头光学设计图 8 光学敏感器成像效果 图Fig.8 Image effect of optical sensors6 结论本文 以动态 目标模 拟器为出发点 ,设计 了基于液晶投影仪显示系统的视景仿真镜头,视景仿真镜头采用二次成像的反远结构,同时为保证与液晶光阀出射光相互 匹配采用了远心光路的结构形式。给 出 了 系 统 结 构 、MTF、畸 变 图。f- 22.447 1 rnlTl,视城为对角线视场为 45。,有效视场为 3O。1.5 ×30。1.5 ;全视雏变<1%,在Nyquist频率 42.5 lp/mm处 MTF>0.45,系统长度 325 mm。视景仿真镜头与敏感器镜头配合后在敏感器像面上的照度均匀性不小于 95.4%。经测试后镜头指标 与设 计结果相符 ,性 能满足使用要求 ,有效地解决 了动态 目标模拟成像 问题 ,实现了在有限作用距离范 围内光学敏感器对远处动态目标的模拟成像 ,在 光学敏感器地面性 能测试过程中起 到了重要作用 。

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