-基于ASAP的潛望鏡系統(tǒng)的簡(jiǎn)單建模與位圖仿真摘要本文基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ASAP對(duì)潛望鏡系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的模型搭建。通過(guò)對(duì)BMP256色位圖的采集并設(shè)置成光源，并通過(guò)潛望鏡系統(tǒng)模型進(jìn)行光線追跡仿真，在系統(tǒng)出射端得到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。同時(shí)對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。摘要潛望鏡;ASAP;256色位圖引言0.1潛望鏡潛望鏡是指從海面下伸出海面或從低洼坑道伸出地面等等條件下，用以觀察海面或地面上活動(dòng)的裝置。一般用于潛水艇以及坦克觀測(cè)。潛望鏡的光學(xué)特性類(lèi)似于普通望遠(yuǎn)鏡，是一種由平行光入射、由平行光出射的具有一定放大倍率的目視光學(xué)系統(tǒng)。0.2位圖位圖圖像又稱(chēng)為點(diǎn)陣圖像或繪制圖像，由像素組成。256色位圖又稱(chēng)8位圖，由256種顏色的像素構(gòu)成，每一個(gè)像素可以由一個(gè)八位的二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。位圖利用bmp類(lèi)型作為存儲(chǔ)方式，以用作圖片顯示與圖像處理等等領(lǐng)域。0.3ASAPASAP是一種可進(jìn)行系統(tǒng)建模與光線追跡仿真的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。在本研究中，利用ASAP軟件對(duì)潛艇用潛望鏡進(jìn)行簡(jiǎn)單的模型構(gòu)建，同時(shí)利用位圖圖像作為光源進(jìn)行光線追跡，以用來(lái)評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的潛望鏡系統(tǒng)光線傳輸能否達(dá)到預(yù)期效果。我們預(yù)期設(shè)計(jì)一個(gè)潛望鏡系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)建模的預(yù)期：鏡筒長(zhǎng)度在6m至16m之間，鏡筒直徑在160mm至300mm之間，入射口徑為300mm*300mm，并且具有一定的放大率。對(duì)光線仿真的預(yù)期：希望可以在出射面上對(duì)光源發(fā)出的光線進(jìn)行觀測(cè)，并基本能夠看清被觀測(cè)的圖像。系統(tǒng)搭建首先利用ASAP的Builder功能進(jìn)行潛望鏡系統(tǒng)的搭建。最簡(jiǎn)單的方法是分別在上下兩端設(shè)立兩個(gè)相同尺寸的平面反射鏡S1與S2，兩個(gè)反射鏡平行放置并與*z坐標(biāo)面成45度角，此系統(tǒng)的放大倍率為1。我們希望能夠搭建出入射與出射有一定的放大倍率的系統(tǒng)，即S1S2尺寸不同，進(jìn)而我們?cè)诳拷鼉善瓷溏R處放置兩塊正透鏡L1與L4。在本系統(tǒng)中，這兩片正透鏡使得放大倍率為1/3。由于加入了L1與L4，原本正立的出射光變?yōu)榱说沽⒌某錾涔猓M(jìn)而考慮增加一個(gè)轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，由正透鏡L2與L3構(gòu)成，其中L2與L1共焦、L3與L4共焦。搭建的系統(tǒng)總長(zhǎng)度為8.4m，鏡筒直徑為0.3m。1潛望鏡系統(tǒng)參數(shù)Table1Periscopesystemparameters. z.-平行光線從光源面S0發(fā)出，以45度的入射角投射在入射面S1上，進(jìn)而正入射于正透L1，光線經(jīng)過(guò)L1會(huì)聚于L1、L2的共焦焦點(diǎn)，投射到正透鏡L2上，由L2出射平行光至正透鏡L3，L3出射光會(huì)聚到L3、L4的共焦焦點(diǎn)，由正透鏡L4輸出平行光，以45度的入射角投射在出射面S2上，進(jìn)而由探測(cè)面S3接收由S2反射來(lái)的平行光。由于轉(zhuǎn)像系統(tǒng)兩正透鏡L2、L3之間傳播的是平行光，所以L2與L3之間的距離可以調(diào)整，由這一性能可以還原潛望鏡系統(tǒng)可伸縮的構(gòu)造。2潛望鏡系統(tǒng)示意圖Fig.2DiagramofPeriscope將系統(tǒng)搭建完好之后我們進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行光線追跡，設(shè)定由光源面位置發(fā)出均勻水平的光線，由探測(cè)面接收，可以看到探測(cè)面上接收的光線是平行光，說(shuō)明系統(tǒng)搭建情況符合預(yù)期，觀察探測(cè)面上的光線，可以看到均勻的陣列點(diǎn)，也驗(yàn)證了經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后出射光是均勻平行的光線。3入射面情形Fig.3Diagramoftheincidentplane4出射面情形Fig.4Diagramoftheemergentsurface仿真分析選取一*256色的bmp位圖進(jìn)行位圖仿真分析，將位圖命名為T(mén)UPIAN.bmp。實(shí)驗(yàn)中選取256色位圖如圖4所示。5256色位圖原圖Fig.5256-colorbitmapimageASAP中自定義宏語(yǔ)言并編寫(xiě)宏語(yǔ)言調(diào)用程序?qū)ξ粓D信息進(jìn)行捕捉，設(shè)置其成為可用的光源。定義一個(gè)宏語(yǔ)言進(jìn)行bmp位圖的圖像信息捕捉，采集到位圖信息用于設(shè)定橫縱坐標(biāo)方向。在仿真過(guò)程中分別設(shè)定位圖光源尺寸為300mm*300mm以及160mm*160mm兩種模式來(lái)觀察仿真結(jié)果，設(shè)定光源發(fā)出的光通量為100lm。將位圖信息捕捉之后，首先觀察位圖的采集點(diǎn)圖情形，如圖6所示。6位圖采集點(diǎn)光譜分布圖Fig.6Thespectraldistributionofcapturedbitmap由圖6作為光源，發(fā)出平行光進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行圖像仿真，觀察探測(cè)面處的光線采集點(diǎn)圖與光通量分布圖。首先使用300mm*300mm尺寸的光源進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7、圖8所示。7300mm*300mm尺寸光源探測(cè)面采集點(diǎn)圖Fig.7Thecollectionpointfigureofdetectingsurfacefor300mm*300mmlight8300mm*300mm尺寸光源探測(cè)面光譜分布圖Fig.8Thespectraldistributionofdetectingsurfacefor300mm*300mmlight在探測(cè)面上可以看到由采集到的光線所還原的采集點(diǎn)圖，對(duì)比原圖可以發(fā)現(xiàn)傳輸還原效果良好。其中探測(cè)面上的光線采集點(diǎn)圖四角部分沒(méi)有接收到光線，這是因?yàn)樗O(shè)計(jì)的潛望鏡系統(tǒng)的透鏡L1相當(dāng)于一個(gè)直徑為300mm的孔徑光闌，限制了300mm*300mm尺寸的矩形光源光線入射。接下來(lái)將光源尺寸調(diào)節(jié)為160mm*160mm進(jìn)行仿真，使得矩形光源發(fā)出. z.-的平行光線能夠全部通過(guò)孔徑光闌進(jìn)入潛望鏡系統(tǒng)中，仿真結(jié)果如圖9、圖10、圖11所示。9160mm*160mm尺寸光源探測(cè)面采集點(diǎn)圖Fig.9Thecollectionpointfigureofdetectingsurfacefor160mm*160mmlight10160mm*160mm尺寸光源探測(cè)面光譜分布圖Fig.10Thespectraldistributionofdetectingsurfacefor160mm*160mmlightt11在探測(cè)面上接收的光通量分布Fig.11Theflu*distributionofdetectingsurface可以看到將尺寸減小之后的光源發(fā)出的光線能在探測(cè)面上被接收到。預(yù)先設(shè)置光源發(fā)出的光通量為100lm，由探測(cè)面上接收到的光通量為99.99997lm，認(rèn)為構(gòu)建的系統(tǒng)為理想成像系統(tǒng)，光線傳輸?shù)男试?9.9%以上。系統(tǒng)評(píng)價(jià)3.1預(yù)期評(píng)價(jià)本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際潛望鏡的尺寸參數(shù)進(jìn)行建模仿真，其模型與實(shí)物尺寸類(lèi)似，在位圖仿真的結(jié)果中也能看到出射光線的光通量分布完好，認(rèn)為本系統(tǒng)建模仿真成功。因?yàn)樵谠O(shè)置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)的入射光線是完全的平行光，同時(shí)設(shè)計(jì)的反射、透射都是理想狀態(tài)，所以本系統(tǒng)本質(zhì)上近似于理想光學(xué)系統(tǒng)。由此可以對(duì)非理想狀態(tài)進(jìn)行一種后續(xù)的分析拓展思路。3.2仿真關(guān)由于本潛望鏡系統(tǒng)的光學(xué)特性是平行光入射，平行光出射，入射與出射的焦點(diǎn)均在無(wú)窮遠(yuǎn)處，屬于無(wú)焦系統(tǒng)。所以由位圖仿真得到的結(jié)果并不是潛望鏡的物像關(guān)系，該結(jié)果僅用于驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想性。本設(shè)計(jì)欲用于人眼觀察，即目視系統(tǒng)。欲仿真目視系統(tǒng)的情形，可以在出射面后放置一正透鏡以會(huì)聚光線來(lái)仿真人眼觀察的情形，作為一種項(xiàng)目拓展的思路。3.3枕形畸變由探測(cè)面的二維散點(diǎn)圖以及光通量分布圖上可以看到：相比于原圖的光譜分布圖，輸出的光線產(chǎn)生了部分枕形畸變。如圖12、圖13所示。12光源無(wú)畸變示意圖Fig.12Thediagramoflightsourcewithoutdistortionschematic13探測(cè)面枕形畸變示意圖Fig.13Theschematicdiagramofdetectingsurfacewithpincushiondistortion可以看到：bmp位圖采樣圖中，將探測(cè)坐標(biāo)軸放置在接近右下角處可以看到有光譜分布，而相應(yīng)的在探測(cè)面上的附近位置，探測(cè)到兩側(cè)出現(xiàn)光通量分布而中間部分的光通量為0，這是產(chǎn)生了枕形畸變的體現(xiàn)。分析可知，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所用的透鏡并不是理想透鏡，其具有一定的厚度與曲率半徑，使得其主光線球差隨視場(chǎng)角改變而不同，進(jìn)而出現(xiàn)畸變。出現(xiàn)枕形畸變使得接收到的圖像產(chǎn)生了細(xì)微的失真，但是對(duì)于目視光學(xué)系統(tǒng)，并不會(huì)影響其成像的清晰. z.-度。分析知若想要減小這種畸變，可以在設(shè)計(jì)潛望鏡系統(tǒng)透鏡的過(guò)程中對(duì)其參數(shù)進(jìn)行