[發明專利]一種寬譜段衍射光學成像系統

有效

• 申請號: 201510424114.3
• 申請日: 2015-07-17
• 公開（公告）號: CN105005152B
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）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（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: G02B27/42
• 分類號: G02B27/42
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 陳鵬

技術領域

本發明涉及一種光學成像系統，特別涉及一種寬譜段衍射光學成像系統。

背景技術

衍射光學元件由于具有較大色散特性，通常在傳統光學系統中作為消色差、消熱差元件。而由于衍射光學元件具有平面形、可以薄膜為基底的特點，以其作為光學系統主鏡，非常易于實現超大口徑光學系統，在超大口徑光學成像領域有重要應用前景。

衍射光學成像技術，利用衍射光學元件代替傳統透鏡或反射鏡，作為光學成像系統的主鏡。衍射光學元件可以加工在平面基底上，一定程度上降低系統重量，并且衍射光學元件色散特性與材料無關，可以采用低成本材料。衍射光學元件具有可復制的特點，可實現批量化生產，尤其在紅外成像應用中，紅外衍射光學成像系統的公差更寬松，更易實現批量化。

要實現衍射光學成像技術實際應用，必須使其具備寬譜段成像能力。由于衍射光學元件固有色差大，以衍射光學元件作為光學系統主鏡，在寬波段內存在較大色差，必須進行色差校正才能實現衍射光學系統寬波段成像。衍射光學系統色差校正存在兩個問題，一是采用傳統透鏡不足以消除衍射光學元件產生的巨大色差；二是采用經典Schupmann色差校正方法，即利用具有相反相位的另一個衍射光學元件校正系統色差，系統中兩個衍射光學元件需嚴格對準，這種方法雖然可以實現寬譜段成像，但是存在系統過長、公差嚴格等缺陷，實現難度巨大，應用受限。目前國外基于Schupmann方法已實現50nm光譜帶寬，仍無法滿足成像需求。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種寬譜段衍射光學成像系統，以諧衍射光學元件作為光學系統主鏡，充分利用諧衍射光學元件自身消色差的特點以及波前編碼技術的像差校正特點，具有較寬的光譜帶寬，降低系統復雜度及公差約束，使衍射光學成像系統更易實現。

本發明所采用的技術方案是：

一種寬譜段衍射光學成像系統，包括：光學模塊、探測器模塊和圖像復原模塊；光學模塊包括諧衍射光學元件和波前編碼元件，波前編碼元件放置在諧衍射光學元件與探測器模塊之間；光線經過諧衍射光學元件會聚成像，波前編碼元件對會聚光線進行像差、色差調制；探測器模塊接收調制后的光線進行光電轉換，獲得調制后的圖像；圖像復原模塊對探測器模塊輸出的調制后的圖像進行解調，消除像差，獲得最終圖像。

所述諧衍射光學元件的相位調制函數為其中，r為諧衍射光學元件的半徑，λ₀為諧衍射光學元件的設計波長，f₀為設計波長λ₀時諧衍射光學元件的焦距。

所述圖像復原模塊的復原函數為其中，f₁為寬譜段衍射光學成像系統的實測點擴散函數，f₂為寬譜段衍射光學成像系統的理論點擴散函數，所述a的取值范圍為[0，60]。

所述波前編碼元件形式為透射式或反射式。

所述波前編碼元件的材料為光學玻璃。

所述諧衍射光學元件的材料為有機薄膜材料或光學玻璃。

所述光學模塊的前端入射光線的光譜帶寬大于200nm。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)本發明以衍射光學元件作為主鏡，利用諧衍射光學元件自身消色差的特點消除衍射光學系統的部分色差，降低色差校正難度，再利用波前編碼元件對衍射光學系統的像差進行調制，其中也包含對諧衍射光學元件剩余色差的調制，并通過圖像復原消除該像差，獲得良好色差校正效果，實現衍射光學成像系統的寬譜段成像。

(2)本發明采用像差調制方法，利用光學模塊中的波前編碼元件及圖像復原模塊對衍射光學系統像差進行調制與解調，進一步消除像差，而非傳統的利用一系列光學元件實現像差校正；采用該方法，可以實現將部分硬件功能轉化為軟件實現，降低系統硬件復雜度。

(3)本發明充分利用諧衍射光學元件具有平面形、可以薄膜為基底的特點，易于實現輕量化的超大口徑光學系統，當以薄膜為基底時，衍射光學元件易折疊，可以實現超大口徑光學系統小型化。

(4)本發明的圖像復原模塊的復原函數為寬譜段衍射光學成像系統的修正點擴散函數，該修正點擴散函數為該修正點擴散函數修正了理論點擴散函數與實測點擴散函數的偏差以及實測點擴散函數的誤差，采用該修正點擴散函數進行圖像復原，可以獲取更清晰的圖像結果。

(5)本發明的光學成像系統與現有的成像系統相比，光學模塊的前端入射光線的光譜帶寬大于200nm，能夠滿足光學系統對寬譜段成像的要求。

附圖說明