一种光学像移补偿方法及装置
阅读说明：本技术 一种光学像移补偿方法及装置 (Optical image motion compensation method and device ) 是由 张新 张建萍 史广维 王灵杰 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于光学技术领域,提出一种双反射镜像移补偿方法,利用置于远心或近似远心的会聚光路中的两块平行反射镜进行同步旋转,补偿光学系统与目标发生相对运动时所产生的像移,从而实现对像方光束快速、精准的像移补偿。(The invention belongs to the technical field of optics, and provides a double-reflector image motion compensation method, which utilizes two parallel reflectors arranged in a telecentric or approximately telecentric convergent light path to synchronously rotate to compensate image motion generated when an optical system and a target move relatively, thereby realizing rapid and accurate image motion compensation of image side light beams.)
技术领域
本发明属于光学技术领域，特别涉及一种光学像移补偿方法及装置。
背景技术
随着光电成像探测技术的发展，现代光电探测和跟踪系统要求相机在高速飞行的情况下具备对大视场高分辨目标图像的获取能力，而在探测器积分成像时间内，场景图像在焦平面探测器上成的影像与探测器存在相对运动，从而在探测器焦平面产生了像移，像移会导致图像模糊，一方面影响目标细节分辨能力，另一方面会使目标所占探测器像元个数增多，导致对目标类型进行误判。为了获得更加清晰的图像，减少像移对系统的影响，需要对高分辨率光电系统进行像移补偿的设计。
传统光学像方扫描中，补偿元件往往采用一块反射镜，通过旋转和摆动实现一个方向的像移补偿。若将单块反射镜直接放置于会聚光路中，则扫描产生的像面弧线运动，将导致扫描像面出现弯曲的现象，影响补偿效果，尤其不能适用于大面阵凝视成像的摆扫像移补偿中。因此该反射镜常常置于平行光路中。为了减小补偿反射镜尺寸、提高扫描速度和补偿范围，并确保补偿精度和凝视成像质量，通常需要在系统内部制造一个缩束的无焦系统以适应需求。而增加的光路将不可避免增加光学系统的长度和复杂度，不利于简化结构、压缩筒长。
发明内容
光学式补偿法是实现像移补偿的重要途径，通过转动反射镜、光楔、透镜，使光线反向运动，抵消由于运动平台引起的像移，该方法采用的反射镜体积相对较小，通过轻量化设计从而易于控制，主要用在长焦高分辨率相机上。
采用快速反射镜的光学式补偿法，使光线按照特定的规律改变方向，从而保证积分时间内视轴的稳定。利用这种反扫补偿的扫描方式有物方扫描和像方扫描，物方扫描指在物镜前的光路中加入反扫补偿装置，直接对景物进行扫描。物方扫描的方式，从原理讲比较简单，满足光学二倍角关系即可，但缺点是反射镜的口径通常较大，反射镜在完成大范围摆动时，尤其是二维扫描摆动，系统装置复杂笨重。像方扫描则指在物镜与探测器之间加入反扫补偿装置，对像方光束进行补偿扫描。该方案相比于物方扫描方案结构紧凑，扫描元件的尺寸可以很小。
像方扫描中补偿元件位于成像物镜后的汇聚光路中称之为会聚光补偿光路，像方扫描汇聚光补偿的优点是结构相对简单，汇聚光补偿的光路结构与原成像光路基本保持不变，仅仅增加了补偿反射镜，在系统的外形、重量等参数要求严格限制的情况下尤为适合。
因此，本发明提出了一种光学像移补偿方法及装置，该方法利用置于远心或近似远心的会聚光路中的两块平行反射镜进行同步旋转，补偿光学系统与目标发生相对运动时所产生的像移。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种光学像移补偿方法，包括如下步骤：
S1、将两块平行放置的、同步旋转的、轴心间距固定的第一反射镜和第二反射镜，置于远心汇聚光路中；
S2、光学系统与目标发生相对运动，第一反射镜和第二反射镜同步旋转，以补偿目标在探测器焦面上的像移。
优选地，利用下式求取同步旋转的角度α：
ΔW+L sin(2α)＝0 (1)
第一反射镜和第二反射镜同步旋转引起的像面的轴向离焦量需小于光学系统的焦深，即满足下式：
L(1-cos 2α)＜2λF2 (2)
其中，ΔW为目标的移动在远心光路产生的视场角的变化量，
L为第一反射镜(31)和第二反射镜间的轴心距离，
F为光学系统的F数，
λ为光学系统的波长。
优选地，ΔW利用下式获得：
ΔS1＝ΔW (3)
其中，ΔS1为目标在像面垂轴方向产生的像移量。
一种光学像移补偿装置，包括：置于远心汇聚光路中的像移补偿单元，像移补偿单元包括两块平行放置的、同步旋转的、轴心间距固定的第一反射镜和第二反射镜；光学系统与目标发生相对运动，第一反射镜和第二反射镜同步旋转，以补偿目标在探测器焦面上的像移。
优选地，利用下式求取同步旋转的角度α：
ΔW+L sin(2α)＝0 (1)
第一反射镜和第二反射镜同步旋转引起的像面的轴向离焦量需小于光学系统的焦深，即满足下式：
L(1-cos 2α)＜2λF2 (2)
其中，ΔW为目标的移动在远心光路产生的视场角的变化量，
L为第一反射镜和第二反射镜间的轴心距离，
F为光学系统的F数，
λ为光学系统的波长。
优选地，还包括：光阑、成像镜组、探测器，光阑、成像镜组、像移补偿单元、探测器沿入射方向的主光轴依次设置。
优选地，成像镜组为理想光学系统。
优选地，远心汇聚光路的F/#≥4。
本发明能够取得以下技术效果：
1、利用视场变化与反射镜旋转角度的合理匹配设置，实现了系统的像移补偿，成像质量不受影响，性能稳定。
2、解决了在会聚光路中实现扫描过程中面阵凝视成像的像移补偿问题。
3、无需在光学系统中制造无焦光路来放置像移补偿镜，缩短了光学筒长、简化了系统结构，利于实现光学载荷小型化。
4、焦平面探测器积分时间内，目标相对探测器静止不动，积分时间长，提高了系统作用距离。
附图说明
图1是本发明一个实施例的一种光学像移补偿方法的视场变化角度与像移关系示意图；
图2是本发明一个实施例的双反射镜转动角度与像移关系示意图；
图3是本发明一个实施例的双反射镜像移补偿示意图；
图4是本发明一个实施例的一种光学像移补偿装置的结构示意图；
图5a是本发明一个实施例的目标与光学系统位置固定，光学系统视场角为0°时MTF曲线图；
图5b是目标与光学系统相对运动，光学系统视场角为1°时MTF曲线图；
图5c是目标与光学系统相对运动，光学系统视场角为-1°时MTF曲线图。
附图标记：
光阑1、成像镜组2、像移补偿单元3、第一反射镜31、第二反射镜32、探测器4。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明的目的是提供一种光学像移补偿方法和装置，利用置于远心或近似远心的会聚光路中的两块平行反射镜进行同步旋转，补偿光学系统与目标发生相对运动时所产生的像移，从而实现对像方光束快速、精准的像移补偿。下面将对本发明提供的一种光学像移补偿方法和装置，通过具体实施例来进行详细说明。
如图1所示，基于光学系统与目标发生相对运动使得目标在探测器4的像面的垂轴方向发生移动，其像移量ΔS1根据以下公式获得：
ΔS1＝ΔW (3)
此时，基于该光学系统与目标发生相对运动使得目标在像面的轴向方向发生变化即为像面的离焦量Δl1，其离焦量Δl1根据以下公式获得：
Δl1＝0 (4)
如图2所示，基于第一反射镜31与第二反射镜32的同步旋转α角，使得目标在像面的垂轴方向发生移动，其像移量ΔS2根据以下公式获得：
ΔS2＝L sin(2α) (5)
此时，基于该光学系统与目标发生相对运动使得目标在像面的轴向方向发生变化即为像面的离焦量Δl2，其离焦量根据以下公式获得：
Δl2＝L(1-cos 2α) (6)
如图3所示，当光学系统与目标发生相对运动时，此时第一反射镜31与第二反射镜32需进行同步旋转α以补偿目标在探测器4焦面上的移动，从而使得在探测器4的积分时间内，目标于T2位置所成的像与仍然位于原来T1所成的像的位置，目标相对探测器4静止不动。为实现上述目的，需满足以下两个条件：
条件一：目标在垂轴方向的像移与反射镜旋转引起的像移需满足大小相同，方向相反的条件，如下公式：
ΔS1+ΔS2＝0 (7)
将公式(3)和公式(5)带入上式可得式(1)，即：
ΔW+L sin(2α)＝0 (1)
条件二：由两块反射镜旋转引起的像面的轴向离焦量Δl2必须小于系统的焦深，即：
|Δl2|＜2λF2 (8)
将公式(6)带入上式得式(2)，即：
L(1-cos 2α)＜2λF2 (2)
在本发明的一个优选实施例中，考虑到系统离焦对像质产生的影响，本发明的补偿方法理论上不受相对孔径的限制，考虑到结构尺寸和反射镜大小的制约，本发明放置的所在光路的最佳F/#适用范围是：F/#≥4。
如图4所示的本发明的一种光学像移补偿装置的结构示意图，其排布方式为：将像移补偿单元3放置在光学系统像方远心会聚光路中，其沿入射方向的主光轴依次设置有光阑1、成像镜组2、像移补偿单元3和探测器4。像移补偿单元3中的第一反射镜31与第二反射镜32平行放置，在进行像移补偿时同步旋转α，即两块反射镜间的轴心距离L始终为固定值。
需要说明的是，由于本实施例中主要强调像移补偿单元3的排布方式，因此，成像镜组2使用理想光学系统来代替。
在本发明的另一个实施例中，设计光学系统技术指标如下：
工作波段：486nm～656nm；
焦距：150mm；
F数：10；
第一反射镜31与第二反射镜32间的距离L：20mm。
目标位置引起的视场变化ΔW与反射镜旋转角度α的对应关系如表1所示：
表1
如图5a、图5b、图5c所示，三种情况下系统的传递函数MTF均接近衍射极限，说明本发明的像移补偿装置起到了很好的像移补偿的作用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
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