离轴折反式光学系统的可变光阑调节方法

摘要

一种适用于离轴折反式光学系统的光阑设计方法，步骤包括：获得光阑孔径尺寸，通过得到的光阑尺寸大小计算得到电机需要转动的角度，控制金属薄片在主动电机上的绕动匝数，进而控制反射光阑的大小；完成离轴折反式光学系统的光阑大小变化，反射式可变光阑安装于折反式光学系统的折射光路中，精确控制光学系统的光阑变化。本发明不仅具有结构简单、响应快、精度高等诸多优点，同时在红外制导仿真系统的关键部件—长焦离轴折反式目标模拟器的设计过程中，此反射式光阑能够为光学系统的设计提供了一种全新的思路。

说明书

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，具体涉及一种离轴折反式光学系统的可变光阑调节方法。

背景技术

折反式光学系统相对于传统的纯折射式光学系统具有较小的像差，而且在焦距相同时具有长度小、结构紧凑等诸多优点，因此在长焦、高分辨率的航天侦察相机、长焦距红外制导目标模拟器中具有十分广泛的应用。为了有效地实现光学系统的集成化，常用的折反式光学系统包括经典的卡塞格林系统与格里高利系统，二者都具有自身的优缺点，使用时要结合实际使用需求进行合理选择。近年来，随着光学系统集约化设计的潮流，离轴折反式光学系统是工程研制的热点。目前，比较常见的离轴折反式系统是离轴三反光学系统。

光阑在光学系统中能够起到限定光学系统视场、消除光学系统杂光等作用，是光学系统十分重要的组成部分。按照用途的不同，常见的光阑包括孔径光阑、视场光阑与消杂光光阑；按照结构的不同，光阑可以分为固定光阑与可变光阑。固定光阑采用中间开有小孔的金属薄片结构，孔径大小要按照系统要求设计。由于孔径不可改变，固定光阑的应用受到了极大的限制。可变光阑相对固定光阑主要是通过光阑自身的机械结构完成光阑孔径的调整。可变光阑则多是采用旋转组合式叶片结构，通过控制各叶片的转角及叶片的复合来实现光阑孔径的大小变化。光阑的一般是圆形或近似圆形的，可变光阑在改变时其孔径中心与光学系统的光轴应始终重合且光阑平面与光轴垂直。一般来说，光学系统的孔径光阑是唯一的，它能够有效地控制进入光学系统光束的大小，进一步控制进入光学系统光能量的大小。

传统的可变光阑安装在光学系统的折射光路中，结构较复杂且光阑孔大小控制精度有限。由于长焦距红外制导仿真目标系统采用离轴折反式光学系统，设计在反射光路中加入可调光阑并具有传统可变光阑的功能，且能够实现光阑的精确、快速可控。

发明内容

本发明的目的在于在现有技术背景下设计一种适用于离轴折反式光学系统的新型可变光阑，解决传统可变光阑结构复杂、控制精度较低的问题。

为解决所述问题，本发明提供一种离轴折反式光学系统的可变光阑调节方法，包括以下步骤：

（1）获得光阑孔径尺寸；

（2）通过得到的光阑尺寸大小计算得到电机需要转动的角度，控制金属薄片在主动电机上的绕动匝数，进而控制反射光阑的大小；

（3）完成离轴折反式光学系统的光阑大小变化

反射式可变光阑安装于折反式光学系统的折射光路中，精确控制光学系统的光阑变化。

进一步，所述步骤（2）中控制反射光阑的大小，所述光阑尺寸改变过程包括：

a.计算电机转动的角度；

设定光阑孔径尺寸值，结合公式在控制系统中计算主动电机与从动电机需要转过的角度值与转动方向；

反射光阑的精度由诸多因素决定。首先，当主动电机上的绕组匝数为0时，最小反射光阑面积由主动电机的轴面S₀决定。其次，主动电机上的绕组匝数为n时，反射光阑面积为S₀+S，其中S由金属薄带的绕组数n、金属薄带的厚度d₀及主动电机的轴面S₀共同决定

不难发现，条件不变时，反射光阑的控制精度取决于金属薄带的厚度d0，且电机转速一定时光阑大小的变化是非线性的，因此，如果需要光阑线性变化需实时控制电机的转速。

b.控制反射光阑尺寸变化；

控制系统分别向主动电机与从动电机输出控制信号，驱动电机转至理想位置，进而精确控制反射光阑的大小。

进一步，所述反射光阑用于离轴折反式光学系统的折射光路中。

进一步，所述控制系统通过闭环控制方法实现所述主动电机与从动电机的精确控制。

进一步，所述反射光阑的金属薄片的侧面是镜面光滑的，且围绕主动电机轴缠绕的过程中各匝间不存在间隙。

进一步，所述主动电机的轴截面作为有效的反射光阑，从动电机仅作为辅助设备存在，且反射光阑应用于离轴折反式光学系统的反射光路中。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明采用高速电机带动金属薄带的方式实现反射式光阑设计，与传统的光阑相比具有结构简单、速度快，精度高的优点。

第二，本发明通过在折反式光学系统中引入反射式光阑，可以保证光学系统中加入光阑的同时又有效地消除了传统光阑对成像的影响；同时，对于不适于安装传统光阑的光学系统，本发明能够为光学系统提供了一种选择方式。

附图说明

图1是本发明实施前传统的组合式光阑原理图；

图2是本发明实施例提供的离轴折反式光学系统光阑设计组成图；

图3a是本发明实施例中离轴折反式光学系统光阑结构重构图；

图3b是本发明实施例中离轴折反式光学系统光阑结构分解图；

图4a为本发明实施例中光阑大小与电机旋转速度变化关系图；

图4b为本发明实施例中电机旋转速度与光阑大小变化关系图；

图5是本发明实施例中反射式光阑应用于离轴折反式光学系统时成像示意图。

具体实施方式

下文中结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

图1是传统的光学系统光阑结构图，光阑由若干叶片组成。通过叶片的旋转组合实现光阑孔的大小变化。其中，1为旋转叶片，2为有效光阑孔。旋转叶片1与光阑孔2构成了整个可变光阑。理想的光阑形状应是圆形的，其质量与构成光阑的旋转叶片形状与数量有关。

图2是本发明实施例提供的离轴折反式光学系统反射光阑整体结构图，主要包括：控制系统8与反射光阑执行机构20。反射光阑执行机构20主要包括主动电机21、从动电机22及形成反射光阑的金属薄带7。

图3a，图3b分别是本发明实施例提供的离轴折反式光学系统反射光阑结构重构图与分解图。光阑执行机构20包括主动电机21，从动电机22，金属薄带7；主动电机21主要包括电机上安装盖16、下安装盖17、电机转子12与电机侧壳13；从动电机22主要包括电机上安装盖18、下安装盖19、电机转子14与电机侧壳15；光阑系统除了光阑执行机构外还包括控制系统8。

结合目标反射光阑大小及公式1计算主动电机21的转角大小，同时，控制系统也将命令从动电机22旋转过相应的角度。图4a与图4b分别给出了本发明实施例提供的光阑大小与主动电机转速、主动电机转速与光阑大小间的非线性关系。

假定目前的反射光阑大小为S₁(S₁≥S₀，S₀是主动电机A的轴面积大小)，金属薄带的厚度为d₀，反射光阑改变后大小为S₂（S₂≥S₁），则主动电机21将逆时针转过的角度θ

如果上述公式得到的结果为负角度值，主动电机21与从动电机22将顺时针旋转。最小反射光阑由主动电机21的转动轴截面积决定。通过控制系统精确控制主动电机21与从动电机22顺时针或逆时针的旋转角度，并改变金属薄带在主动电机13转子3上的绕过匝数，实现光阑增大或减小的精确改变。

图5是本发明实施例提供的离轴折反式光学系统结构图。光线经由光学系统的组合透镜9后到达平面反射镜10再次反射；将反射光阑4放置于经反射镜10后的反射光路中，同时保证反射光阑4的中心与反射光路视场中心重合；光路经由设计的光阑4再次反射，最终投射到接收器件11上。同理，根据光路可逆性，将装置作为成像制导目标模拟器并不影响反射光阑的使用。

综上，本发明的优点包括：

第一，本发明采用高速旋转电机带动金属薄带来实现反射光阑的改变，由于光阑大小的变化精度取决于金属薄片的厚度，相对于传统的组合叶片光阑具有结构简单、响应快、精度高等诸多优点。

第二，本发明实现设计反射式可变光阑可应用于离轴折反式光学系统中。结合折反式光学系统的特点，在红外制导仿真系统的关键部件—长焦离轴折反式目标模拟器的设计过程中，此反射式光阑可有效地消除传统光阑对成像的影响；同时，对于不适于安装传统光阑的光学系统，本发明能够为光学系统的设计提供了一种全新的思路。