一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像系統(tǒng)，特別涉及一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 衍射光學(xué)元件由于具有較大色散特性，通常在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中作為消色差、消熱 差元件。而由于衍射光學(xué)元件具有平面形、可以薄膜為基底的特點，以其作為光學(xué)系統(tǒng)主 鏡，非常易于實現(xiàn)超大口徑光學(xué)系統(tǒng)，在超大口徑光學(xué)成像領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。
[0003] 衍射光學(xué)成像技術(shù)，利用衍射光學(xué)元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)透鏡或反射鏡，作為光學(xué)成像系 統(tǒng)的主鏡。衍射光學(xué)元件可以加工在平面基底上，一定程度上降低系統(tǒng)重量，并且衍射光學(xué) 元件色散特性與材料無關(guān)，可以采用低成本材料。衍射光學(xué)元件具有可復(fù)制的特點，可實現(xiàn) 批量化生產(chǎn)，尤其在紅外成像應(yīng)用中，紅外衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的公差更寬松，更易實現(xiàn)批量 化。
[0004] 要實現(xiàn)衍射光學(xué)成像技術(shù)實際應(yīng)用，必須使其具備寬譜段成像能力。由于衍射光 學(xué)元件固有色差大，以衍射光學(xué)元件作為光學(xué)系統(tǒng)主鏡，在寬波段內(nèi)存在較大色差，必須進(jìn) 行色差校正才能實現(xiàn)衍射光學(xué)系統(tǒng)寬波段成像。衍射光學(xué)系統(tǒng)色差校正存在兩個問題，一 是采用傳統(tǒng)透鏡不足以消除衍射光學(xué)元件產(chǎn)生的巨大色差；二是采用經(jīng)典Schupmann色差 校正方法，即利用具有相反相位的另一個衍射光學(xué)元件校正系統(tǒng)色差，系統(tǒng)中兩個衍射光 學(xué)元件需嚴(yán)格對準(zhǔn)，這種方法雖然可以實現(xiàn)寬譜段成像，但是存在系統(tǒng)過長、公差嚴(yán)格等缺 陷，實現(xiàn)難度巨大，應(yīng)用受限。目前國外基于Schupmann方法已實現(xiàn)50nm光譜帶寬，仍無法 滿足成像需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種寬譜段衍射光學(xué) 成像系統(tǒng)，以諧衍射光學(xué)元件作為光學(xué)系統(tǒng)主鏡，充分利用諧衍射光學(xué)元件自身消色差的 特點以及波前編碼技術(shù)的像差校正特點，具有較寬的光譜帶寬，降低系統(tǒng)復(fù)雜度及公差約 束，使衍射光學(xué)成像系統(tǒng)更易實現(xiàn)。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，包括：光學(xué)模塊、探測器模塊和圖像復(fù)原模塊；光 學(xué)模塊包括諧衍射光學(xué)元件和波前編碼元件，波前編碼元件放置在諧衍射光學(xué)元件與探測 器模塊之間；光線經(jīng)過諧衍射光學(xué)元件會聚成像，波前編碼元件對會聚光線進(jìn)行像差、色差 調(diào)制；探測器模塊接收調(diào)制后的光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，獲得調(diào)制后的圖像；圖像復(fù)原模塊對 探測器模塊輸出的調(diào)制后的圖像進(jìn)行解調(diào)，消除像差，獲得最終圖像。
[0008] 所述諧衍射光學(xué)元件的相位調(diào)制函數(shù)為其中，r為諧衍射光學(xué)元件 的半徑，Ac為諧衍射光學(xué)元件的設(shè)計波長，h為設(shè)計波長a時諧衍射光學(xué)元件的焦距。
[0009] 所述圖像復(fù)原模塊的復(fù)原函數(shù)為/; ，其中，為寬譜段衍射光學(xué)成像系 統(tǒng)的實測點擴(kuò)散函數(shù)，f2為寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的理論點擴(kuò)散函數(shù)，所述a的取值范圍 為[0,60]。
[0010] 所述波前編碼元件形式為透射式或反射式。
[0011] 所述波前編碼元件的材料為光學(xué)玻璃。
[0012] 所述諧衍射光學(xué)元件的材料為有機(jī)薄膜材料或光學(xué)玻璃。
[0013] 所述光學(xué)模塊的前端入射光線的光譜帶寬大于200nm。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0015] (1)本發(fā)明以衍射光學(xué)元件作為主鏡，利用諧衍射光學(xué)元件自身消色差的特點消 除衍射光學(xué)系統(tǒng)的部分色差，降低色差校正難度，再利用波前編碼元件對衍射光學(xué)系統(tǒng)的 像差進(jìn)行調(diào)制，其中也包含對諧衍射光學(xué)元件剩余色差的調(diào)制，并通過圖像復(fù)原消除該像 差，獲得良好色差校正效果，實現(xiàn)衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的寬譜段成像。
[0016] (2)本發(fā)明采用像差調(diào)制方法，利用光學(xué)模塊中的波前編碼元件及圖像復(fù)原模塊 對衍射光學(xué)系統(tǒng)像差進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，進(jìn)一步消除像差，而非傳統(tǒng)的利用一系列光學(xué)元件 實現(xiàn)像差校正；采用該方法，可以實現(xiàn)將部分硬件功能轉(zhuǎn)化為軟件實現(xiàn)，降低系統(tǒng)硬件復(fù)雜 度。
[0017] (3)本發(fā)明充分利用諧衍射光學(xué)元件具有平面形、可以薄膜為基底的特點，易于實 現(xiàn)輕量化的超大口徑光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)以薄膜為基底時，衍射光學(xué)元件易折疊，可以實現(xiàn)超大口 徑光學(xué)系統(tǒng)小型化。
[0018] (4)本發(fā)明的圖像復(fù)原模塊的復(fù)原函數(shù)為寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的修正點擴(kuò)散 函數(shù)，該修正點擴(kuò)散函數(shù)為該修正點擴(kuò)散函數(shù)修正了理論點擴(kuò)散函數(shù)與實測 點擴(kuò)散函數(shù)的偏差以及實測點擴(kuò)散函數(shù)的誤差，采用該修正點擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行圖像復(fù)原，可 以獲取更清晰的圖像結(jié)果。
[0019] (5)本發(fā)明的光學(xué)成像系統(tǒng)與現(xiàn)有的成像系統(tǒng)相比，光學(xué)模塊的前端入射光線的 光譜帶寬大于200nm，能夠滿足光學(xué)系統(tǒng)對寬譜段成像的要求。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)組成示意圖；
[0021] 圖2為傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件色散特性與波長關(guān)系示意圖；
[0022] 圖3為諧衍射光學(xué)元件色散特性與波長關(guān)系示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明實施例中光學(xué)模塊及探測器模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明提出一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，如圖1所示，包括：光學(xué)模塊、探測器 模塊和圖像復(fù)原模塊；光學(xué)模塊包括諧衍射光學(xué)元件和波前編碼元件，波前編碼元件放置 在諧衍射光學(xué)元件與探測器模塊之間；光線經(jīng)過諧衍射光學(xué)元件會聚成像，波前編碼元件 對會聚光線進(jìn)行像差調(diào)制；探測器模塊接收調(diào)制后的光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，獲得調(diào)制后的圖 像；圖像復(fù)原模塊對探測器模塊輸出的調(diào)制后的圖像進(jìn)行解調(diào)，可以消除像差，獲得寬譜段 清晰圖像。
[0025] 所述諧衍射光學(xué)元件為寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的主鏡，諧衍射光學(xué)元件的相位 調(diào)制函數(shù)為？^>=-7，其中，r為諧衍射光學(xué)元件的半徑，A。為諧衍射光學(xué)元件的設(shè)計波 長，&為設(shè)計波長Ac時諧衍射光學(xué)元件的焦距。諧衍射光學(xué)元件的材料為有機(jī)薄膜材料 或光學(xué)玻璃。波前編碼元件形式為透射式或反射式，材料為光學(xué)玻璃。
[0026] 圖像復(fù)原模塊中采用的復(fù)原函數(shù)為寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的修正點擴(kuò)散函數(shù)。 本發(fā)明寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的修正點擴(kuò)散函數(shù)
其中，匕為寬譜段衍射光 學(xué)成像系統(tǒng)的實測點擴(kuò)散函數(shù)，f2為寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的理論點擴(kuò)散函數(shù)，根據(jù)諧 衍射光學(xué)元件、波前編碼元件的構(gòu)型、材料的光學(xué)特性和探測器模塊的像素尺寸計算得到， a取值范圍為[0,60]。所述光學(xué)模塊的前端入射光線的光譜帶寬大于200nm。
[0027] 如圖2所示，傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件色散較大，不同波長的焦距可表示，
，對 于寬譜段內(nèi)不同波長，焦距變化很大，難以進(jìn)行色差校正；如圖3所示的諧衍射光學(xué)元件， 其特點是相鄰環(huán)帶之間的光程差是設(shè)計波長的整數(shù)P倍（P多2)，且整數(shù)p稱為諧衍射級
數(shù)，其不同波長的焦距可表示） _，m為正整數(shù)，令，則4=f。，即對于滿足 m 的一系列離散波長，諧衍射光學(xué)元件的焦距值相同，諧衍射光學(xué)元件具備一定自身m 消色差能力。因此，對于諧衍射光學(xué)元件，只需對滿足的一系列離散波長之間的較 m 窄譜段進(jìn)行校正即可，相比于傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件，色差校正難度大幅降低。
[0028] 本發(fā)明的一個實施例，如圖4所示，光學(xué)成像系統(tǒng)由兩個元件組成，結(jié)構(gòu)簡單。寬 譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的主鏡采用諧衍射光學(xué)元件，諧衍射級數(shù)P= 10,工作的光譜帶寬 為8ym~12ym，材料采用鍺玻璃。采用透射式波前編碼元件，置于諧衍射光學(xué)元件和探測 器模塊之間，材料采用鍺玻璃。
[0029] 在本實施例中，圖像復(fù)原模塊中采用的復(fù)原函數(shù)為寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的修 正點擴(kuò)散函數(shù)名a取值為1，修正點擴(kuò)散函數(shù)最終表示為/3=￥。其中，匕為 寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的實測點擴(kuò)散函數(shù)，f2為寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的理論點擴(kuò)散 函數(shù)。利用具有該復(fù)原函數(shù)形式的圖像復(fù)原模塊，對探測器模塊輸出的紅外圖像進(jìn)行處理， 能夠得到清晰的紅外圖像結(jié)果，滿足實際應(yīng)用。
[0030] 本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于，包括：光學(xué)模塊、探測器模塊和圖像復(fù) 原模塊；光學(xué)模塊包括諧衍射光學(xué)元件和波前編碼元件，波前編碼元件放置在諧衍射光學(xué) 元件與探測器模塊之間；光線經(jīng)過諧衍射光學(xué)元件會聚成像，波前編碼元件對會聚光線進(jìn) 行像差、色差調(diào)制；探測器模塊接收調(diào)制后的光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，獲得調(diào)制后的圖像；圖像 復(fù)原模塊對探測器模塊輸出的調(diào)制后的圖像進(jìn)行解調(diào)，消除像差，獲得最終圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述諧衍射光 學(xué)元件的相位調(diào)制函數(shù)為其中，r為諧衍射光學(xué)元件的半徑，A。為諧衍射光學(xué) 元件的設(shè)計波長，f。為設(shè)計波長A。時諧衍射光學(xué)元件的焦距。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述圖像 復(fù)原模塊的復(fù)原函數(shù)為其中，為寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的實測點擴(kuò)散函 數(shù)，f2為寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的理論點擴(kuò)散函數(shù)，所述a的取值范圍為[0, 60]。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述波前編碼 元件形式為透射式或反射式。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述波前編碼 元件的材料為光學(xué)玻璃。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述諧衍 射光學(xué)元件的材料為有機(jī)薄膜材料或光學(xué)玻璃。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述光學(xué) 模塊的前端入射光線的光譜帶寬大于200nm。
【專利摘要】一種寬譜段衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，包括：光學(xué)模塊、探測器模塊和圖像復(fù)原模塊；光學(xué)模塊包括諧衍射光學(xué)元件和波前編碼元件；光線經(jīng)過諧衍射光學(xué)元件會聚成像，波前編碼元件對會聚光線進(jìn)行像差調(diào)制；探測器模塊接收調(diào)制后的光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到圖像；圖像復(fù)原模塊結(jié)合波前編碼元件對會聚光線的調(diào)制信息，對探測器模塊輸出的圖像進(jìn)行處理，去除波前編碼元件對會聚光線的調(diào)制作用并消除像差，獲得圖像。本發(fā)明以諧衍射光學(xué)元件作為光學(xué)系統(tǒng)主鏡，利用諧衍射光學(xué)元件自身消色差的特點以及波前編碼技術(shù)的像差校正特點，具有較寬的光譜帶寬，降低系統(tǒng)復(fù)雜度及公差約束，使衍射光學(xué)成像系統(tǒng)更易實現(xiàn)。
【IPC分類】G02B27/42
【公開號】CN105005152
【申請?zhí)枴緾N201510424114
【發(fā)明人】焦建超, 張秉隆, 王保華, 張月, 王超, 金建高, 阮寧娟, 蘇云, 郭崇嶺, 吳立民
【申請人】北京空間機(jī)電研究所
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月17日