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CN111965812B - 基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法与系统 - Google Patents

基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法与系统 Download PDF

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CN111965812B
CN111965812B CN202010970368.6A CN202010970368A CN111965812B CN 111965812 B CN111965812 B CN 111965812B CN 202010970368 A CN202010970368 A CN 202010970368A CN 111965812 B CN111965812 B CN 111965812B
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Abstract

本发明专利公开了一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法与系统，其特征在于，一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统，由激光器、分束器、变焦液体透镜和阿贝棱镜组成。一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法，激光器照明分束器，一束入射激光被分束为1xn的线阵激光束，线阵激光束通过液体透镜，不同口径处的光斑由于透镜畸变的存在而被以不同放大倍率进行放大。经放大后的线阵激光束经过阿贝棱镜出射。由于棱镜旋转时具有光斑旋转角度放大的作用，当阿贝棱镜旋转α角时，出射的线阵激光束绕中心旋转2α角。通过以α角旋转阿贝棱镜，则通过阿贝棱镜的线阵激光束将以2α角对扫描平面实现仿人眼扫描。

Description

基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法与系统
技术领域
本发明涉及一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法与系统，属于激光主动探测技术领域。
背景技术
主动探测通过发射信号至待测目标，并接收返回信号来实现对目标的探测、识别和成像。对目标的扫描方法多采用行列式扫描、弓形扫描、仿人眼扫描等方法。其中，仿人眼扫描相比于其他扫描方法，具有旋转与尺度不变性、背景信息压缩及变分辨率的优点。因此，近年来被用在激光雷达等领域。传统仿人眼采样的方式有利用MEMS镜、复眼镜头、旋转双棱镜等方式。利用MEMS镜实现仿人眼扫描的方式存在无法实现大光斑、多线扫描的缺点。利用复眼镜头的扫描方式存在结构复杂、成本高、无法改变扫描密度和步进角度的缺点。旋转双棱镜的扫描方式，无法实现多线扫描、且光斑通过双棱镜会产生像差。
发明内容
本发明的目的在于克服传统仿人眼采样的方式存在的结构复杂、成本较高、无法改变扫描密度和步进角度等缺点。提供一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法与结构，该装置具有结构简单，可根据扫描场景实现变扫描视场与扫描点密度的仿人眼扫描的优点。该方法利用液体透镜自身畸变实现不同孔径入射光斑放大，同时利用阿贝棱镜旋转实现仿人眼扫描的方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统，包括激光器、分束器、变焦液体透镜和阿贝棱镜。
激光器发射的光束经过分束器，被分束为1xn的线阵激光束，线阵激光束通过液体透镜，经过液体透镜不同口径处的光斑由于透镜畸变的存在而被以不同放大倍率放大。经放大后的线阵激光束经过阿贝棱镜出射。由于棱镜旋转时具有光斑旋转角度放大的作用，当阿贝棱镜旋转α角时，出射的线阵激光束绕中心旋转2α。通过以α角旋转阿贝棱镜，则通过阿贝棱镜的线阵激光束将以2α角对扫描平面实现仿人眼扫描。
所述变焦液体透镜包括：前透镜、平板玻璃、后透镜、前液体表面和后液体表面。通过改变注入前透镜和后透镜中液体的体积，可以改变前液体表面和后液体表面的表面面形。
基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法如下：
步骤一：确定仿人眼扫描光斑参数。
根据对目标视场的扫描需求，确定扫描环数M，中心光斑直径为D0，相邻环之间的增大系数qi。则第i环扫描光斑的直径由公式(1)表示，
Di＝qiD0 (1)
步骤二：计算变焦液体透镜对应第i环光束的相对畸变。
依据相邻环之间的增大系数qi，计算变焦液体透镜的相对畸变Pi。Pi与qi的对应关系由公式(2)计算，
Pi＝(qi-1)/100 (2)
步骤三：计算变焦液体透镜表面面形参数。
变焦液体透镜的相对畸变最大值Pmax与变焦液体透镜的畸变值之间满足以下关系
Figure BDA0002683826050000021
其中，δy’z为透镜的畸变。透镜畸变δy’z表示为
Figure BDA0002683826050000022
其中，SV表示为
Figure BDA0002683826050000023
式中，
Figure BDA0002683826050000024
其中，hz为第二近轴光线在折射面上的入射点相对于主光轴的高度，h为第一近轴光线在折射面上的入射点相对于主光轴的高度，u为近轴光线物方孔径角，u’为近轴光线像方孔径角，uz为第二近轴光线的物方孔径角，n为物方折射率，n’为像方折射率，rk为前、后透镜表面的曲率半径，i为入射角，i’为折射角。k为液体透镜表面的序数；
求解公式(3)-公式(6)，得到变焦液体透镜的前液体表面的面形参数和后液体表面的面形参数。
以所得到的变焦液体透镜的前液体表面和后液体表面的面形参数作为初始值，以变焦液体透镜的相对畸变Pi为目标参数，对变焦液体透镜的前液体表面和后液体表面的面形参数进行非球面优化，得到前液体表面和后液体表面的面形参数的非球面表达式，如公式(7)所示。
Figure BDA0002683826050000031
其中，Z为曲面沿光轴的偏移量，R为透镜表面半口径，K为二次曲面常数，A2、A4、A6、A8分别为二阶、四阶、六阶和八阶系数。
步骤四：设定扫描步进角。
根据对扫描区域的扫描密度的需求，设定仿人眼扫描步进角
Figure BDA0002683826050000032
则阿贝棱镜的旋转角度为
Figure BDA0002683826050000033
步骤五：进行仿人眼扫描。
依据步骤三计算得到的变焦液体透镜表面的面形参数，控制变焦液体透镜表面产生变形，对经变焦液体透镜的光束进行缩放，形成具有M环、相邻环之间的增大系数为qi的仿人眼扫描光斑。以
Figure BDA0002683826050000034
的角度转动阿贝棱镜，实现对目标区域的仿人眼扫描。
有益效果
1、本发明公开的一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统，其通过变焦液体透镜自身存在的畸变效应，对通过变焦液体透镜不同孔径的光束以不同放大倍率进行放大，可以直接形成中心光斑直径小、外环光斑直径大的仿人眼扫描光斑。本方法具有结构简单，扫描时间短的优点。
2、本发明公开的一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统，通过旋转阿贝棱镜实现对目标区域的旋转扫描，具有结构简单、扫描精度高的优点。
3、本发明公开的一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法，其中变焦液体透镜可以通过改变变焦液体透镜的表面面形从而改变变焦液体透镜的焦距和畸变，进而对扫描光斑实现缩放，从而可以实现对于不同扫描区域与扫描密度的自适应扫描。
4、本发明公开的一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法，通过采用旋转阿贝棱镜的方式实现对目标区域的扫描，可以提高扫描光斑的扫描速度。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统原理图；
图2为本发明实施例的一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统中变焦液体透镜结构图；
图3为本发明实施例中一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法的仿人眼扫描光斑分布图；
图4为本发明实施例中一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法，当阿贝棱镜旋转角度为0°时，一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统结构及仿人眼扫描光斑分布图；
图5为本发明实施例中一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法，当阿贝棱镜旋转角度为5°时，一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统结构及仿人眼扫描光斑分布图。
图6为本发明实施例中一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法，当阿贝棱镜旋转角度为45°时，一种基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统结构及仿人眼扫描光斑分布图。
其中，1-激光器；2-分束器；3-变焦液体透镜；4-阿贝棱镜；31-前透镜；32-平板玻璃；33-后透镜；311-前液体表面；331-后液体表面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统，如图1所示：
激光器1发射一束激光，激光通过分束器2，一束入射激光被分束为1x16的线阵激光束，仿人眼扫描光斑的中心光斑直径为D0＝1mm，线阵激光束通过变焦液体透镜3，不同口径处的光斑由于变焦液体透镜畸变的存在而被以不同放大倍率进行放大。相邻环之间的增大系数qi如表1所示。经放大后的线阵激光束经过阿贝棱镜4出射。通过以5°角旋转阿贝棱镜4，则通过阿贝棱镜4的线阵激光束将以10°角对扫描平面实现仿人眼扫描。
如图2所示，变焦液体透镜3，由前透镜31、平板玻璃32和后透镜33组成。变焦液体透镜具有前液体表面311、后液体表面331，两个可变形的液体表面。通过改变注入其中的液体体积，可以改变变焦液体透镜前液体表面311、后液体表面331，两个液体表面的面形结构，可以改变变焦液体透镜的畸变。
表1
Figure BDA0002683826050000041
基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描方法如下：
步骤一：仿人眼扫描光斑参数设计。
激光器1发射一束激光，激光通过分束器2，一束入射激光被分束为1x16的线阵激光束，因此扫描环数为8。中心光斑直径为D0＝1mm。
则第i环扫描光斑的直径可以由公式(1)计算，其值如表2所示。
表2
Figure BDA0002683826050000051
步骤二：计算变焦液体透镜3对应第i环光束的相对畸变。
依据相邻环之间的增大系数qi，依据公式(2)计算变焦液体透镜3对应第i环光束的相对畸变等于Pi，其值如表3所示。
表3
Figure BDA0002683826050000052
步骤三：计算变焦液体透镜3表面面形参数。
依据变焦液体透镜3的相对畸变最大值Pmax＝8与中心光斑直径为D0＝1mm，通过求解公式(3)-公式(6)，计算得到变焦液体透镜3的前液体表面311和后液体表面331的面形参数。其中变焦液体透镜的材料为水(n＝1.33)。
通过光学设计软件，以所得到的变焦液体透镜3的前液体表面311和后液体表面331的面形参数作为初始值，以变焦液体透镜3的相对畸变Pi＝(0.1，0.5，1.1，1.8，2.7，4.1，5.4，8.0)为目标参数，对变焦液体透镜3的前液体表面311和后液体表面331的面形参数进行非球面优化，得到前液体表面311和后液体表面331的非球面表达的面形参数，如表4所示。
表4
Figure BDA0002683826050000053
步骤四：设定扫描步进角。
根据对扫描区域的扫描密度的需求，仿人眼扫描步进角
Figure BDA0002683826050000054
则阿贝棱镜4的旋转角度为
Figure BDA0002683826050000055
步骤五：进行仿人眼扫描。
依据步骤三计算得到的变焦液体透镜3表面的面形参数，控制变焦液体透镜3的前液体表面311和后液体表面331产生变形，对经变焦液体透镜3的光束进行缩放，形成具有8环、相邻环之间的增大系数为qi＝(1.001，1.005，1.011，1.018，1.027，1.041，1.054，1.08)的光斑，如图3所示。光斑通过阿贝棱镜后，仿人眼扫描光斑如图4所示。
以5°的步进角转动阿贝棱镜4，通过阿贝棱镜的仿人眼扫描光斑旋转10°，实现对目标区域的仿人眼扫描，如图5所示。
以45°的步进角转动阿贝棱镜4，通过阿贝棱镜的仿人眼扫描光斑旋转90°，实现对目标区域的仿人眼扫描，如图6所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于变焦液体透镜与阿贝棱镜的仿人眼扫描系统，其特征在于：包括激光器、分束器、变焦液体透镜和阿贝棱镜；
激光器发射的光束经过分束器，被分束为线阵激光束，线阵激光束通过液体透镜，经过液体透镜不同口径处的光斑由于透镜畸变的存在而被以不同放大倍率放大；经放大后的线阵激光束经过阿贝棱镜出射；由于棱镜旋转时具有光斑旋转角度放大的作用，当阿贝棱镜旋转α角时，出射的线阵激光束绕中心旋转2α；通过以α角旋转阿贝棱镜，则通过阿贝棱镜的线阵激光束将以2α角对扫描平面实现仿人眼扫描。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述变焦液体透镜包括：前透镜、平板玻璃、后透镜、前液体表面和后液体表面；通过改变注入前透镜和后透镜中液体的体积，达到改变前液体表面和后液体表面的表面面形的目的。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述线阵激光束为1xn的线阵激光束。
4.采用如权利要求1、2或3所述的系统实现仿人眼扫描的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：确定仿人眼扫描光斑参数；
根据对目标视场的扫描需求，确定扫描环数M，中心光斑直径为D0，相邻环之间的增大系数qi；则第i环扫描光斑的直径由公式(1)表示，
Di＝qiD0 (1)
步骤二：计算变焦液体透镜对应第i环光束的相对畸变；
依据相邻环之间的增大系数qi，计算变焦液体透镜的相对畸变Pi；Pi与qi的对应关系由公式(2)计算，
Pi＝(qi-1)/100 (2)
步骤三：计算变焦液体透镜表面面形参数；
变焦液体透镜的相对畸变最大值Pmax与变焦液体透镜的畸变值之间满足以下关系
Figure FDA0002683826040000011
其中，δy’z为透镜的畸变；透镜畸变δy’z表示为
Figure FDA0002683826040000012
其中，SV表示为
Figure FDA0002683826040000013
式中，
Figure FDA0002683826040000021
其中，hz为第二近轴光线在折射面上的入射点相对于主光轴的高度，h为第一近轴光线在折射面上的入射点相对于主光轴的高度，u为近轴光线物方孔径角，u’为近轴光线像方孔径角，uz为第二近轴光线的物方孔径角，n为物方折射率，n’为像方折射率，rk为前、后透镜表面的曲率半径，i为入射角，i’为折射角；k为液体透镜表面的序数；
求解公式(3)-公式(6)，得到变焦液体透镜的前液体表面的面形参数和后液体表面的面形参数；
以所得到的变焦液体透镜的前液体表面和后液体表面的面形参数作为初始值，以变焦液体透镜的相对畸变Pi为目标参数，对变焦液体透镜的前液体表面和后液体表面的面形参数进行非球面优化，得到前液体表面和后液体表面的面形参数的非球面表达式，如公式(7)所示；
Figure FDA0002683826040000022
其中，Z为曲面沿光轴的偏移量，R为透镜表面半口径，K为二次曲面常数，A2、A4、A6、A8分别为二阶、四阶、六阶和八阶系数；
步骤四：设定扫描步进角；
根据对扫描区域的扫描密度的需求，设定仿人眼扫描步进角
Figure FDA0002683826040000023
则阿贝棱镜的旋转角度为
Figure FDA0002683826040000024
步骤五：进行仿人眼扫描；
依据步骤三计算得到的变焦液体透镜表面的面形参数，控制变焦液体透镜表面产生变形，对经变焦液体透镜的光束进行缩放，形成具有M环、相邻环之间的增大系数为qi的仿人眼扫描光斑；以
Figure FDA0002683826040000025
的角度转动阿贝棱镜，实现对目标区域的仿人眼扫描。
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