一种不动型双远心变焦扫描成像系统及主结构参数确定方法与流程

技术特征：
1.一种不动型双远心变焦扫描成像系统及主结构参数确定方法，其特征在于：所述不动型双远心变焦扫描成像系统由激光调制光源系统、不动型双远心变焦扫描照明系统和单光子成像系统三个部分组成，可实现高均匀度和平行度的主动照明调制光束、快速精确的主动照明光束实时变焦缩放和扫描，以及空频复用与异构多视点通道相结合的计算鬼成像；所述不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，包括以下步骤：s1：采用高斯括号法分析系统的高斯解特性，提取出能够评价所述不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放能力的变焦评价参数；s2：根据矢量像差理论、赛德尔像差系数和斯涅尔定律，提出制约所述不动型双远心变焦扫描成像系统扫描性能的显著参数及其关联数学模型，进而提取出扫描评价参数用于评价所述系统的高精度扫描能力；s3：结合所述变焦评价参数和所述扫描评价参数建立非线性全局评价函数，并对所述非线性全局评价函数进行最优解检索，获得具有良好变焦缩放能力和高精度扫描能力的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构。2.根据权利要求1所述的不动型双远心变焦扫描成像系统，其特征在于：所述激光调制光源系统采用微镜阵列空间光调制器对激光光源进行调制,可获得光强调制的平行光束；所述不动型双远心变焦扫描照明系统为采用了moems器件的双远心光学系统结构，搭配平行光源，可实现远距离精确均匀照射，以及实时变焦和扫描功能；所述单光子成像系统收集由调制光束照射目标产生的漫反射信息。3.根据权利要求1所述的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，其特征在于，步骤s1中采用高斯括号法分析所述不动型双远心变焦扫描成像系统主结构的高斯特性：所述系统主结构由n个光学元件组成，其中第m个和第n个是moems器件，将第1至第m个光学元件等效的视为一个光焦度为φ1的光学组元1，将第m 1至第n个光学元件等效的视为一个光焦度为φ2的光学组元2，运用高斯括号法进行分析可得不动型双远心变焦扫描成像系统的等效光焦度φ
system
为：其中，1c
n
为高斯常量，φ
i
(i＝1,2,
…
,n)为光学系统不同光学元件的光焦度，e
i
′
(i＝1,2,
…
,n
‑
1)为光学系统光学元件i和光学元件i 1之间的等效间隔。4.根据权利要求1所述的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，其特征在于，步骤s1中的所述变焦评价参数为所述不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放特性的误差项。5.根据权利要求4所述的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，其特征在于，所述不动型双远心变焦扫描成像系统的变焦缩放特性的误差项a
zoom
为：
其中，β
min
和β
max
分别表示系统的最小变焦缩放倍率和最大变焦缩放倍率，s
′
f1
表示光学组元1的后焦距，s
f2
表示光学组元2的前焦距，和分别表示moems器件1的最小光焦度和最大光焦度，和则分别表示moems器件2的最小光焦度和最大光焦度。6.根据权利要求1所述的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，其特征在于，步骤s2中的所述评价不动型双远心变焦扫描成像系统高精度扫描能力的扫描评价参数包括所述不动型双远心变焦扫描成像系统的光焦度、初阶畸变和扫描光束中心角度的误差项。7.根据权利要求6所述的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，其特征在于，所述不动型双远心变焦扫描成像系统的光焦度的误差项a
foc
为：a
foc
＝|1c
n
|其中，1c
n
为高斯常量；进一步地，1c
n
＝[φ1,
‑
e
′1,
…
,φ
m
,
‑
e
′
m
,
…
,φ
n
]＝[φ1,
‑
e
′
m
,φ2]。8.根据权利要求6所述的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，其特征在于，根据矢量像差理论，所述不动型双远心变焦扫描成像系统的初阶畸变的误差项a
abe
为：其中，所述不动型双远心变焦扫描成像系统主结构中包括n个光学元件，a
j
＝(u'
j
‑
u
j
)/(1/n
j 1
‑
1/n
j
)；u
j
和u'
j
分别表示第j个光学元件的边缘光线入射角和出射角，n
j
表示第j个光学元件后的折射率，h
j
表示第j个光学元件的边缘光线高度，表示第j个光学元件的中心光线高度，和分别表示第j个光学元件的中心光线入射角和出射角，c
j
表示第j个光学元件面形的顶点曲率，k
j
表示第j个光学元件面形的二次曲面常数，为第j个光学元件的等效视场。9.根据权利要求6所述的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，其特征在于，所述不动型双远心变焦扫描成像系统的扫描光束中心角度的误差项a
cen
为：其中，θ
x
和θ
y
分别表示系统设计实际的出射光束的中心角度，和则分别表示系统设计要求的系统出射光束的中心角度。10.根据权利要求1所述的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，其特征在于，步骤s3中建立的非线性全局评价函数能够综合评价所述不动型双远心变焦扫描成像系统的变焦缩放能力和高精度扫描能力，所述非线性全局评价函数具体如下：
其中，上标l表示变焦系统的第l个采样焦距点，m表示采样焦距点的数量，e
j
表示第j个和第j 1个光学元件之间的等效间隔，α
j
表示第j个光学元件面形的倾斜角，c
i
、c
m
和c
n
分别表示第i个、第m个和第n个光学元件面形的顶点曲率，k
i
、k
m
和k
n
分别表示第i个、第m个和第n个光学元件面形的二次曲面参数，ν
i
(i＝1,2,3)表示对应项的权重；|| ||1表示1范数。进一步地，步骤s3中采用全局优化算法来对所述非线性全局评价函数进行全局最优解检索，求解得到令所述非线性全局评价函数的数值最小的解集，根据该解集获得具有良好变焦缩放能力和高精度扫描能力的不动型双远心变焦扫描成像系统。

技术总结
本发明提出一种不动型双远心变焦扫描成像系统及主结构参数确定方法，该系统由激光调制光源系统、不动型双远心变焦扫描照明系统和单光子成像系统三个部分组成；所述结构参数确定方法包括以下步骤：S1：采用高斯括号法分析系统的高斯解特性，提取出能够评价所述不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放能力的变焦评价参数；S2：根据矢量像差理论、赛德尔像差系数和斯涅尔定律，提出制约所述不动型双远心变焦扫描成像系统扫描性能的显著参数及其关联数学模型，进而提取出扫描评价参数用于评价所述系统的高精度扫描能力；S3：结合所述变焦评价参数和所述扫描评价参数建立非线性全局评价函数，并对所述非线性全局评价函数进行最优解检索，获得具有良好变焦缩放能力和高精度扫描能力的不动型双远心变焦扫描成像系统。描能力的不动型双远心变焦扫描成像系统。描能力的不动型双远心变焦扫描成像系统。


技术研发人员：程雪岷 叶恒志 郝群 高子琪 王安琪 陈棵
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：2021.05.28
技术公布日：2021/9/16