CN101344645A - 高分辨率光学成像方法及设备 - Google Patents

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本发明涉及一种光学成像方法及设备，包括子孔径成像系统(1)，沿光路设置的子孔径准直镜(3)、反射镜(4)、多子孔径光束合成反射镜(5)、准直镜(7)、剪切干涉仪(8)、相干成像镜(9)以及CCD像面(10)。其解决了背景技术中成像技术复杂以及成像设备体积、重量大、成本高的技术问题。本发明中应用了具有高效分光特性的剪切干涉仪，具有分辨率高的优点。

Description

高分辨率光学成像方法及设备
技术领域
本发明涉及一种光学成像方法及设备，具体涉及一种高分辨率光学成像方法及设备。
背景技术
高分辨率光学成像技术具有广泛应用的需求，目标图像的超高空间分辨率一直是人们所追求的重要指标之一，它是目标发现、识别以掌握信息权，以及人类认识太空、研究宇宙的最主要手段。现阶段，高分辨率的空间光学遥感器发展很快，然而其进一步的发展受到能量和衍射极限的限制，这两个方面均要求系统增大光学系统口径，但口径的增大必然导致仪器的体积和重量非常大，研制、发射和运行等费用也相应变得非常昂贵。
伴随着光电探测器技术的发展，其探测灵敏度性能显著提高，特别是TDI模式探测器的出现后，通过增加探测器级数可基本解决了能量限制的瓶颈问题，于是制约光学成像系统分辨率的焦点问题变成了系统口径决定的衍射极限，对于特定波段，增加口径是提高空间光学遥感器角分辨率的唯一可行的办法，但焦距和口径的增大意味着遥感器体积、研制难度和制造成本的骤增。如表1所示，美国的KH-12，在近地轨道(300km左右)达到0.1～0.3m分辨率，为满足分辨率极限需求，主镜口径为3m左右，导致卫星整体重量达到17吨；另外在天文观察方面，Hubble太空天文望远镜达到0.05角秒(以0.5μm)，主镜直径为2.4m，导致仅主镜组件就重达828kg。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种高分辨率光学成像方法及设备，其解决了背景技术中成像技术复杂以及成像设备体积、重量大、成本高的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种高分辨率光学成像方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤
1)目标所发出的光线经子孔径成像系统1成像到一次像面2上；
2)经过子孔径准直镜3准直，到达反射镜4；
3)再反射到多子孔径光束合成反射镜5，光束整合到一起后经多子孔径光束合成成像镜11后到达二次像面6上；
4)再经过准直镜7准直入射到剪切干涉仪8；
5)
a其中一束光经剪切干涉仪8的第一五角棱镜801到剪切干涉仪上的等腰棱镜803，再经过剪切干涉仪的反射棱镜的公共部分到剪切干涉仪的第二五角棱镜807后出射到相干成像镜9；
b另一束光经准直镜7准直的合成光束入射到剪切干涉仪8后，经剪切干涉仪8的第一五角棱镜801到剪切干涉仪反射棱镜，经剪切干涉仪反射棱镜直接入射到相干成像镜9；
6)入射到相干成像镜9的两束合成光束，当垂直剪切方向等光程时，相干成像到CCD像面10，得到高分辨率图像。
一种实现上述高分辨率光学成像方法的设备，包括子孔径成像系统1，沿光路设置的子孔径准直镜3、反射镜4、多子孔径光束合成反射镜5、准直镜7、剪切干涉仪8、相干成像镜9以及CCD像面10，所述子孔径成像系统1包括子孔径主反射镜101和子孔径次反射镜102，其特殊之处在于：所述剪切干涉仪8包括上、下两部分，所述上、下部分均由一个五角棱镜和一等腰棱镜胶合而成，所述胶合部位构成一胶合面，所述胶合面的表面设有分束膜，所述上、下部分中心对称设置，所述上、下部分之间设有分界面804，所述五角棱镜和等腰棱镜至少有一个内表面为全反射面。
上述上部分具体包括第一五角棱镜801和第一等腰棱镜803，所述第一五角棱镜801和第一等腰棱镜803胶合在一起，并构成一胶合面，该胶合面的表面设有第一分束膜802，所述第一五角棱镜801包括用于光束射入的第一五角棱镜的入射面810。
上述下部分具体包括第二五角棱镜807和第二等腰棱镜805，所述第二五角棱镜807和第二等腰棱镜805胶合在一起，并构成一胶合面，该胶合面的表面设有第二分束膜806，所述第二五角棱镜807包括用于光束射出的第二五角棱镜的出射面809；所述第二等腰棱镜805包括用于光束射出的第二等腰棱镜的出射面808。
上述胶合面与水平方向的夹角小于30度。
上述胶合面与水平方向的夹角为22.5度。
上述光束沿第一五角棱镜的入射面810垂直入射。
上述光束沿第二五角棱镜的出射面809和第二等腰棱镜的出射面808垂直出射。
本发明的优点是：
1.本发明中应用了具有高效分光特性的剪切干涉仪，该干涉仪具有等光程相干剪切的特点
2.光学系统实现等光程相干，并在像平面上获得比不用剪切干涉仪情况下分辨率的提高。
3.剪切干涉仪可以有其它的结构形式。
4.本发明中，应用了等光程剪切干涉仪，当横向剪切量为零的情况下，形成整个像面上的等光程相干成像，使系统的分辨率提高了，其中剪切干涉仪可以由多种多样的剪切干涉仪替换。当横向剪切量不为零的情况下，可获得垂直剪切方向的线视场等光程相干成像，同样可以提高该线视场的分辨率。
5.干涉仪也可以不在准直光路中，如果是在会聚或者发散光路中，可以通过校正像差设计使得相干光束直接成像在一次像面上，获得分辨率的提高。
6.去掉前面的前置光学系统和准直光学系统，系统仍然具有相干成像的能力，并获得分辨率的提高。
7.等光程剪切干涉仪也可以由反射镜和分光镜组成，也可以由棱镜和反射镜及分光镜组成。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明的剪切干涉仪结构示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，一种实现上述高分辨率光学成像方法的设备，包括子孔径成像系统1，沿光路设置的子孔径准直镜3、反射镜4、多子孔径光束合成反射镜5、准直镜7、剪切干涉仪8、相干成像镜9以及CCD像面10，所述子孔径成像系统1包括子孔径主反射镜101和子孔径次反射镜102，剪切干涉仪8包括上、下两部分，上、下部分均由一个五角棱镜和一等腰棱镜胶合而成，胶合部位构成一胶合面，胶合面的表面设有分束膜，上、下部分中心对称设置，上、下部分之间设有分界面804，五角棱镜和等腰棱镜至少有一个内表面为全反射面；上部分具体包括第一五角棱镜801和第一等腰棱镜803，第一五角棱镜801和第一等腰棱镜803胶合在一起，并构成一胶合面，该胶合面的表面设有第一分束膜802，第一五角棱镜801包括用于光束射入的第一五角棱镜的入射面810；下部分具体包括第二五角棱镜807和第二等腰棱镜805，第二五角棱镜807和第二等腰棱镜805胶合在一起，并构成一胶合面，该胶合面的表面设有第二分束膜806，所述第二五角棱镜807包括用于光束射出的第二五角棱镜的出射面809；第二等腰棱镜805包括用于光束射出的第二等腰棱镜的出射面808。
胶合面与水平方向的夹角小于30度为佳。
胶合面与水平方向的夹角为22.5度；光束沿第一五角棱镜的入射面810垂直入射为佳。
光束沿第二五角棱镜的出射面809和第二等腰棱镜的出射面808垂直出射最好。
成像时，目标所发出的光线经子孔径主反射镜101反射，到达子孔径次反射镜102，再经子孔径次反射镜102成像到一次像面2，再经子孔径准直镜3准直，到达反射镜4，反射到多子孔径光束合成反射镜11，光束整合到一起后经多子孔径光束合成成像镜11后到达二次像面6，再经准直镜7准直入射到剪切干涉仪8，其中一束光经剪切干涉仪8的第一五角棱镜801，传播到第一等腰棱镜803，再经过干涉仪反射棱镜的公共部分传播到第二五角棱镜807后出射到相干成像镜9；而另一束经准直镜7准直的合成光束入射到剪切干涉仪8后，经干涉仪第一五角棱镜801，传播到剪切干涉仪反射棱镜，经剪切干涉仪反射棱镜直接入射到相干成像镜9，入射到相干成像镜9的两束合成光束(垂直剪切方向等光程)相干成像到CCD像面10，得到高分辨率图像。
参见图3，本发明还有一种形式，即剪切干涉仪8将入射光束剪切成为两束平行光投射到剪切干涉仪棱镜组的两个入射面上，剪切干涉仪棱镜组将剪切开的两束整合成为相互垂直的两束相干光但其剪切量为零，经后面的相干成像镜9会聚到CCD像面10上，在整个像面上形成等光程相干成像，可得到比非相干成像情况下较高的分辨率；另一路与所描述的光路垂直，成像性质相同。

Claims (8)

1.一种高分辨率光学成像方法，其特征在于：该方法包括以下步骤
1)目标所发出的光线经子孔径成像系统(1)成像到一次像面(2)上；
2)经过子孔径准直镜(3)准直，到达反射镜(4)；
3)再反射到多子孔径光束合成反射镜(5)，光束整合到一起后经多子孔径光束合成成像镜(11)后到达二次像面(6)上；
4)再经过准直镜(7)准直入射到剪切干涉仪(8)；
5)
a其中一束光经剪切干涉仪(8)的第一五角棱镜(801)到剪切干涉仪上的等腰棱镜(803)，再经过剪切干涉仪的反射棱镜的公共部分到剪切干涉仪的第二五角棱镜(807)后出射到相干成像镜(9)；
b另一束光经准直镜(7)准直的合成光束入射到剪切干涉仪(8)后，经剪切干涉仪(8)的第一五角棱镜(801)到剪切干涉仪反射棱镜，经剪切干涉仪反射棱镜直接入射到相干成像镜(9)；
6)入射到相干成像镜(9)的两束合成光束，当垂直剪切方向等光程时，相干成像到CCD像面(10)，得到高分辨率图像。
2.一种实现上述高分辨率光学成像方法的设备，包括子孔径成像系统(1)，沿光路设置的子孔径准直镜(3)、反射镜(4)、多子孔径光束合成反射镜(5)、准直镜(7)、剪切干涉仪(8)、相干成像镜(9)以及CCD像面(10)，所述子孔径成像系统(1)包括子孔径主反射镜(101)和子孔径次反射镜(102)，其特征在于：所述剪切干涉仪(8)包括上、下两部分，所述上、下部分均由一个五角棱镜和一等腰棱镜胶合而成，所述胶合部位构成一胶合面，所述胶合面的表面设有分束膜，所述上、下部分中心对称设置，所述上、下部分之间设有分界面(804)，所述五角棱镜和等腰棱镜至少有一个内表面为全反射面。
3.根据权利要求2所述高分辨率光学成像设备，其特征在于：所述上部分具体包括第一五角棱镜(801)和第一等腰棱镜(803)，所述第一五角棱镜(801)和第一等腰棱镜(803)胶合在一起，并构成一胶合面，该胶合面的表面设有第一分束膜(802)，所述第一五角棱镜(801)包括用于光束射入的第一五角棱镜的入射面(810)。
4.根据权利要求3所述高分辨率光学成像设备，其特征在于：所述下部分具体包括第二五角棱镜(807)和第二等腰棱镜(805)，所述第二五角棱镜(807)和第二等腰棱镜(805)胶合在一起，并构成一胶合面，该胶合面的表面设有第二分束膜(806)，所述第二五角棱镜(807)包括用于光束射出的第二五角棱镜的出射面(809)；所述第二等腰棱镜(805)包括用于光束射出的第二等腰棱镜的出射面(808)。
5.根据权利要求2～4任一所述高分辨率光学成像设备，其特征在于：所述胶合面与水平方向的夹角小于30度。
6.根据权利要求5所述高分辨率光学成像设备，其特征在于：所述胶合面与水平方向的夹角为22.5度。
7.根据权利要求6所述高分辨率光学成像设备，其特征在于：所述光束沿第一五角棱镜的入射面(810)垂直入射。
8.根据权利要求7所述高分辨率光学成像设备，其特征在于：所述光束沿第二五角棱镜的出射面(809)和第二等腰棱镜的出射面(808)垂直出射。
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