具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如附图1-3所示，本发明实施例中的不动型双远心变焦扫描成像系统由激光调制光源系统1、不动型双远心变焦扫描照明系统2和单光子成像系统3三个部分组成，附图中的4代表目标物体。激光调制光源系统1采用微镜阵列(DMD)空间光调制器对激光光源进行调制,获得光强调制的平行光束。不动型双远心变焦扫描照明系统2采用了MOEMS(Micro-opto-Electro-Mechanical System，微光机电系统)器件，具体地，不动型双远心变焦扫描照明系统2包括MOEMS器件21和MOEMS器件22，可同时实现实时变焦和扫描功能，并且不动型双远心变焦扫描照明系统采用了平行光源搭配双远心光学系统结构，可实现远距离精确均匀照射。单光子成像系统3收集由调制光束照射目标产生的漫反射信息。

在系统设计过程中需要确定结构需求(例如面形数量、光瞳孔径等)和变焦扫描需求(例如系统的缩放倍率、扫描范围、MOEMS器件的光焦度变化范围等)。

不动型双远心变焦扫描成像系统为采用圆锥曲面的包含两个MOEMS器件的光学系统结构，基于该系统结构分析其高斯解特性。不动型双远心变焦扫描成像系统由n个光学元件组成，其中第m个和第n个是MOEMS器件，如图4所示，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。n_i表示第i个元件前的折射率，F₁和F₁′分别是光学组元1的前焦点和后焦点，F₂和F₂′则分别是光学组元2的前焦点和后焦点。S_F1和S′_F1分别是光学组元1的前焦距和后焦距，S_F2和S′_F2则分别是光学组元2的前焦距和后焦距。定义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。为了描述光学系统第i个组元到第j个组元的的一阶特性，K.Tanaka定义了四个高斯常量(Generalized Gaussian Constants,GGC’s),分别用ⁱA_j，ⁱB_j，ⁱC_j和ⁱD_j表示，它们的表达式如下：

运用高斯括号法进行分析可得系统等效光焦度Φ_system为：

高斯括号法的近轴追迹公式如下：

其中，h_j为第j个圆锥曲面的边缘光线高度，h_i为第i个圆锥曲面的边缘光线高度，u_i为第i个圆锥曲面的边缘光线入射角，u'_j为第j个圆锥曲面的边缘光线出射角。

根据式(3)，光学组元1的后焦距S′_F1，光学组元2的前焦距S_F2，可表示为：

式(4)、(5)分别是关于MOEMS器件的光焦度φ_m和φ_n的单调函数，所以不动型双远心变焦扫描成像系统的变焦缩放倍率可由φ_m和φ_n来表示，如式(6)所示，β表示系统的变焦缩放倍率。

不动型双远心变焦扫描能力的变焦评价参数，如式(7)所示。

其中，标量A_zoom为表征不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放特性的误差项；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；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。

不动型双远心变焦扫描成像系统的系统参数可控变量只有MOEMS器件的面形参数和偏转角度，因此，对于系统结构作出以下约束条件：首先，定义系统的光轴光线(opticalaxis ray，OAR)为系统零视场点的中心光线，为保证系统在变焦过程中OAR是固定不变的，在系统的设计过程中，只采用倾斜表面的方法来实现无遮挡的系统离轴，这一约束条件对于不动型双远心变焦扫描成像系统各光学元件以及出射光束的稳定非常重要，此外，光学元件面形的非球面部分不会对系统的归一化视场向量造成影响；其次，假定设计的离轴光学系统是关于yoz面对称的，因此，光学元件面形的球面部分将不会对系统的归一化视场向量造成x方向的偏移；基于系统固定OAR的光线追迹，可以直接计算得到系统的视场偏移向量

根据矢量像差理论，分析上述不动型双远心变焦扫描成像系统，离轴光学系统第j个光学元件的等效视场如式(8)所示。本技术的像差理论分析以离轴光学系统为例，但也适用于同轴光学系统(即视场偏移矢量为零)。

其中，表示归一化的视场向量，表示第j个光学元件的视场偏移矢量。

以三组元面对称光学系统为例的光轴光线追迹模型如图5所示，其中，表示第j个光学元件光学表面的单位法矢量，o_j表示第j个光学元件面形的顶点，S_j表示第j个光学元件的光学表面，第j个光学元件面形顶点o_j处的倾斜角α_j与OAR入射角相等，也与矢量和OAR的夹角相等。

基于每个系统光学元件的OAR局部坐标，图5的矢量可以由式(9)表示。

其中，SRM_j和SRN_j分别表示矢量沿着y和z方向的归一化方向余弦。因此，系统第j个光学元件的倾斜角α_j可以由式(10)表示。

α_j＝arcsin(SRM_j) (10)

因此，根据斯涅尔定律，以物方平面入射至系统的OAR为参考，顺时针为负角度，逆时针为正角度，不动型双远心变焦扫描成像系统的扫描范围可由x轴和y轴两个方向进行量化，其中表示系统x方向的扫描范围，则表示系统y方向的扫描范围，而θ_x和θ_y则分别表示系统设计实际的出射光束的中心角度。具体如式(11)所示。

其中，Δ_x和Δ_y分别表示MOEMS器件2在x方向和y方向的可偏转角度。

因此，可在系统设计阶段通过对系统扫描光束中心角度(θ_x,θ_y)的约束，来实现对不动型双远心变焦扫描成像系统扫描范围的调控。

所以表征不动型双远心变焦扫描成像系统扫描光束中心角度的误差项A_cen，可由式(12)表示。

其中，和分别表示系统设计要求的系统出射光束的中心角度。

此外，系统的视场偏移矢量可由式(13)表示。

其中，表示第j个光学元件在y方向的视场偏移矢量；表示第j个光学元件的边缘光线出射角；表示第j个光学元件的中心光线高度；c_j表示第j个光学元件面形的顶点曲率。

根据矢量像差理论，结合同轴系统赛德尔像差系数，可解析得到表征系统初阶像差的参数。畸变作为双远心光学系统的重要像质指标，在本发明中被选取为描述不动型双远心变焦扫描成像系统的出射光束均匀度的评价指标。由于设计系统为双远心照明系统，故只需考虑系统的中心零度视场。此外，系统光焦度则被选取为描述系统出射光束平行度的评价指标。

根据矢量像差理论，离轴系统的初阶畸变系数可以表示为

其中，

矢量A_abe为表征不动型双远心变焦扫描成像系统初阶畸变的误差项；W_311j表示同轴系统第j个光学元件的初阶畸变系数；表示离轴系统第j个光学元件的等效视场；S_Ⅴj表示同轴系统第j个光学元件的第五赛德尔像差系数，上标sph和asph分别表示球面和非球面；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，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，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参数，n_j表示第j个光学元件前的折射率。

而根据式(2)，双远心系统的光焦度Φ_system应为零，所以表征不动型双远心变焦扫描成像系统光焦度的误差项A_foc，可由式(17)表示。

A_fo_c＝|¹C_n| (17)

结合上述不动型双远心变焦扫描成像系统的高斯解特性分析和初阶像差分析，运用系统变焦扫描过程中的系统参数变量和不变量，建立一个可以直接综合评价变焦扫描系统变焦缩放能力和高精度扫描能力的非线性全局评价函数E。其中，变焦扫描系统的初阶像差(主要为畸变)、系统的变焦能力(如变焦缩放倍率)以及系统的高斯特性(如系统的光焦度)都将作为综合评价指标。该非线性全局评价函数具体如式(18)所示。

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。

上述不动型双远心变焦扫描成像系统的结构参数确定方法具体包括如下步骤：

A1、确定不动型双远心变焦扫描成像系统的结构需求(如面形数量、光瞳孔径等)和变焦扫描需求(如系统的缩放倍率、扫描范围、MOEMS器件的光焦度变化范围等)；

A2、采用高斯括号法分析不动型双远心变焦扫描成像系统的高斯解特性，提取出能够评价系统变焦缩放能力的变焦评价参数；

A3、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；

A4、结合所述变焦评价参数和所述扫描评价参数建立不动型双远心变焦扫描成像系统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；

A5、判断是否满足优化终止条件，若不满足，返回步骤A4，若满足，进入下一步；

A6、将检索得到的最优解数据转换成不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数；

A7、输出不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数。

综上所述，不动型双远心变焦扫描成像系统的设计过程主要有三个关键点：1)运用高斯括号法分析不动型双远心变焦扫描成像系统主结构，提取出能够评价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，在MOEMS器件光焦度变化范围有限的条件下，实现要求的变焦缩放范围；2)根据矢量像差理论与赛德尔像差系数，解析地表征不动型双远心变焦扫描成像系统的畸变系数，再结合斯涅尔定律，在保证光束的平行度和均匀度的前提下，实现高精度扫描功能；3)建立能综合评价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的非线性全局评价函数，通过运用全局优化算法(如遗传算法)对该评价函数进行全局最优解检索，可以直接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系统主结构。

本发明提出一种计算机存储介质，其中存储有能够在处理器中运行的程序，程序在被处理器运行的过程中能够实现上述不动型双远心变焦扫描成像系统的主结构参数确定方法。

本发明上述实施例提出的不动型双远心变焦扫描成像系统及主结构参数的确定方法具有以下三个优点：

(1)复合型传感，不动型双远心变焦扫描成像系统运用DMD获得光强调制的平行光束，并通过不动型双远心变焦扫描照明系统可同时实现光束缩放和扫描两个功能，最后运用单光子成像系统，收集由调制光束照射目标产生的漫反射信息，最终可实现空频复用与异构多视点通道相结合的计算鬼成像。

(2)成像性能高，采用MOEMS器件来实现系统的变焦和扫描功能，摈弃了传统的变焦系统需要采用的运动部件，有效提高了系统变焦和扫描的速度和精度，此外通过分析不动型双远心变焦扫描成像系统的高斯解特性和初阶像差系数，提取出了能评价系统变焦缩放能力的变焦评价参数A_zoom、评价系统出射光束质量的扫描评价参数A_abe和A_foc，以及能评价系统扫描中心精度的扫描评价参数A_cen，在设计阶段就保证了系统的变焦缩放精度和扫描精度。

(3)设计方法高效，建立了能同时评价不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放能力和高精度扫描能力的非线性全局评价函数E，将系统高斯结构设计问题转化为利用非线性全局评价函数E检索最优解问题，进而实现了不动型双远心变焦扫描成像系统最优高斯结构的自动检索，极大地提高了此类复杂光学系统的设计效率。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。