[發明專利]較大視場強容差超分辨望遠成像系統設計方法

有效

• 申請號: 202010190344.9
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111221122B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 王超;史浩東;劉壯;李英超;付強;張肅;戰俊彤
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B27/58
• 代理公司: 北京中理通專利代理事務所(普通合伙) 11633
• 代理人: 劉慧宇

較大視場強容差超分辨望遠成像系統設計方法，屬于遠場超分辨成像技術領域，為了解決現有的超分辨望遠成像系統成像視場小，且對光學系統加工裝調公差精度要求過高的的問題，該方法首先設定整個系統的工作波長、通光口徑、F數、視場，求出系統衍射極限艾里斑主瓣寬度；然后利用全局優化算法設計光瞳調制器的調制函數；接下來設計光學基底系統，在ZEMAX軟件中利用操作數限制彗差和像散，并監測球差；使用宏語言編寫自定義操作數并調用，使得不同視場、波長處的環圍半徑相似且盡量小；之后將光瞳調制器放置在所述光學基底系統中的光瞳或光瞳中間像位置處，以一定的步長前后微調像面位置，直到各視場點的PSF形狀圓整且接近一致。

技術領域

本發明屬于遠場超分辨成像技術領域，具體涉及到一種較大視場強容差超分辨望遠成像系統設計方法。

背景技術

相比地基空間目標探測手段，天基空間探測手段有著不可替代的優點：(1)不受地球大氣影響，而這是限制地基空間目標探測分辨率和精度的主要原因；(2)通過合理的軌道設計，能夠實現對空間目標的近距離觀測，可以極大地提高探測分辨力和精度；(3)可獲得較大的觀測范圍；(4)可全天候工作。由于空間目標距離遙遠，天基光學探測系統基本為望遠成像系統，其光學分辨率嚴格受到瑞利判據1.22λ/D限制，其中D為光瞳尺寸，λ為工作波長，因而增強天基望遠分辨能力的主要手段在于增大光學入瞳，這將使得光學系統的體積重量呈平方倍率增加。然而，地面發射能力有限，促使人們尋找在一定大小的光學系統口徑的前提下提高成像分辨率的新方法，光瞳調制技術即為其中一項很有希望的技術。其工作原理是在光學系統光瞳處放置調制器，調制出射波前的振幅和位相分布，從而使衍射斑主瓣更細窄。

以往的光瞳調制超分辨技術用于大口徑望遠系統時，多存在系統成像視場較小、系統加工裝調公差極嚴的問題，主要是由兩個原因造成：(1)光瞳調制技術會造成主瓣能量的下降和旁瓣能量的上升，當旁瓣/主瓣能量之比較大時，只有圍繞著主瓣的一小塊視場內能正常成像，稱為局部視場，局部視場外相鄰像點會產生混淆，導致成像模糊；(2)望遠系統進行光學設計時，非零視場往往殘留一定非對稱像差，而超分辨遠場成像對非對稱像差容忍度很低，需要像質接近衍射極限，這也限制了系統能實現的視場范圍；同時留給加工裝調的誤差余量極小，給制造提出很大挑戰。中國專利201610517791.4中的遠場超分辨成像裝置用在長焦望遠系統中，僅能實現局域視場(微弧度級)內的超分辨成像，需要利用掃描視場光闌的方式來進一步增大視場，系統較為復雜且成像時間很長。

發明內容

本發明為了解決現有的超分辨望遠成像系統成像視場小，且對光學系統加工裝調公差精度要求過高的的問題，提出一種較大視場強容差超分辨望遠成像系統設計方法。

本發明采用的技術方案為：

所述較大視場強容差超分辨望遠成像系統的設計方法，包含以下步驟：

步驟一，設定整個系統的工作波長λ、通光口徑D、F數、視場w，求出系統衍射極限艾里斑主瓣寬度d，d＝2.44λF；

步驟二，以平行光通過光瞳調制器后的PSF作為評價標準，利用全局優化算法設計光瞳調制器的調制函數，調制函數可以為純振幅型、純位相型或復振幅型，其應滿足當工作波長的平行光束通過此調制器，并經過F數與系統一致的理想透鏡聚焦后，焦平面處形成的PSF的主瓣寬度小于衍射極限艾里斑主瓣寬度d，點擴散函數的任意旁瓣相對中心主瓣峰值高度0.1；

步驟三，設計光學基底系統，光學基底系統由前置的望遠單元和后接成像單元組成。其中望遠單元包括卡塞格林鏡組和準直鏡組，卡塞格林鏡組用于形成一次像面，該處可安置消雜光光闌；成像單元為成像鏡組，對平行光束進行匯聚成像，利用CCD探測器進行接收；在ZEMAX軟件中利用操作數COMA和ASTI限制彗差和像散，令其目標為0；利用操作數SPHA監測球差，但其權重設為0，即該操作數并不直接參與優化；此外使用宏語言編寫自定義操作數，由ZEMAX獲得任意視場、波長處的點擴散函數能量集中度，并計算一定能量集中度值對應的環圍半徑r，環圍半徑越小，成像質量越好，則自定義操作數可以編寫為：