CN105425411A - 一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置和方法，由前端光学系统、瞳面复振幅调制系统、变形镜、成像透镜、成像CCD、数据处理计算机和若干反射镜组成。其中，瞳面复振幅调制系统有多种振幅和波前相位滤波器的组合，根据目标特点不同对瞳面复振幅实现特定调制；调制后光束反射到变形镜，变形镜对光束进行高阶波前相位调制，光束经成像透镜汇聚于CCD靶面；数据处理计算机根据成像CCD观测目标的远场图像，对变形镜面形做优化，最终获得超分辨图像。应用于超分辨的光束复振幅复合调制方法和装置，具有调制空间频率高、动态范围大、对图像进行针对性优化等特点，为衍射受限光学系统实现超分辨率成像提供了一种新技术。

Description

一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置和方法
技术领域
本发明涉及一种应用于超分辨成像的，在原有光学系统的后端实现光束复振幅复合调制的技术手段。特别适用于在不改变原光学系统的结构情况下，提升其分辨能力。
背景技术
在光学成像波长一定的情况下，光学系统的理论分辨率与光学系统的孔径成反比。受光学系统制造成本和其他设计因素的影响，光学系统的孔径无法无限制增大。光学系统的分辨率可以用远场点扩散函数(PSF，PointSpreadFunction)的主瓣半径表示。根据傅里叶光学的相关原理，光学系统的远场点扩散函数是系统瞳面函数的傅里叶变换，因此，利用瞳面滤波器改变光学系统瞳面复振幅分布，进而实现改变系统远场点扩散函数，是在有限口径光学系统内实现更高分辨率的一种有效方式。
根据瞳面滤波器对光学系统调制对象的区别，瞳面滤波器分为瞳面振幅调制器、瞳面相位调制器和瞳面复振幅调制器。在实际加工过程中，对复杂面型加工时存在加工难度大，成品误差大的问题，而简单面型的瞳面滤波器则只能实现有限的调制效果。这是限制瞳面滤波器广泛应用的重要原因。
变形镜(DeformableMirror,DM)，又称波前校正器，由很多单元组合而成，每个单元都有自己独立的控制器，在外加电压控制下，可以动态连续改造波面的面形，实现对波前相位的动态调制。变形镜变形范围受到驱动器分布和驱动器行程的影响，其面型无法在短距离内实现大幅度变化，所以对波前相位的调制局限于低空间频率范围。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置和方法，在探测波长一定，光学孔径一定的情况下提高光学系统分辨率的手段。
本发明的技术解决方案是：提出一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于包括：前端光学系统、瞳面复振幅调制系统、转束平面反射镜、离轴抛物面反射镜、第一球面反射镜、变形镜、第二球面反射镜、第三球面反射镜、成像透镜、成像CCD和数据处理计算机；
瞳面复振幅调制系统包括：瞳面振幅滤波器，瞳面相位滤波器和同轴双滤波片切换架；
前端光学系统对目标发出的光收集转折后沿光轴方向出射，瞳面复振幅调制系统位于前端光学系统的出瞳位置，对前端光学系统出射光束进行复振幅调制，当光束通过瞳面振幅滤波器时，光束口径内不同位置的光学透过率不同，实现对光束振幅的调制，当通过瞳面相位滤波器时，光束口径内不同位置的光程不同，实现对光束相位的调制；接着光束经平面反射镜、离轴抛物面反射镜和球面反射镜后到位于出瞳共轭面的变形镜处，变形镜实现对光束的高阶相位调制，瞳面复振幅调制系统和变形镜联合对光束复振幅实现复合调制，其中：瞳面复振幅调制系统能够实现瞳面复振幅的低阶调制，变形镜实现瞳面相位的高阶调制，弥补瞳面复振幅调制系统调制空间频率不足的缺点；
经调制后的光束再经第二球面反射镜、第三球面反射镜后由成像透镜汇聚于成像CCD靶面之上，数据处理计算机针对CCD采集到的图像进行分析，修正变形镜的面形，实现超分辨率成像。
所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述瞳面振幅滤波器和瞳面相位滤波器放置在同轴双滤波片切换架上。
所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述同轴双滤波片切换架的每个切换架上，同时加装多片调制函数不同的瞳面振幅滤波器和瞳面相位滤波器；在不影响到其他光路的情况下，可以直接切换不同的瞳面振幅滤波器和瞳面相位滤波器，以组合出不同的瞳面复振幅调制函数，适应不同的观测目标和环境噪声下超分辨率成像的需求。
所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：变形镜镜面初始面形由选定的瞳面复振幅调制系统的调制函数，与超分辨所需的瞳面调制函数之间的差别决定。
所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述瞳面振幅调制器的加工过程包括：根据所设计透过率不同区域按照光透过率从高到低的顺序依次排序，首先对掩模板加涂最高透过率的遮光材料，其次对除最高透过率区域的其他区域加涂次高透过率的遮光材料，直到完全不透光的遮光材料。
所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述瞳面相位滤波器的加工过程包括：首先制作出所需相位分布的掩模版，将透光区域和不透光区域分开，然后利用光刻技术经曝光和显影两个步骤将掩模版图形转印到涂在基片表面的光刻胶上，最后利用刻蚀技术将光刻胶形成的图形转印到基底上，只需要刻蚀一次，避免多次刻蚀产生的掩模版对中误差。
所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：前端光学系统可以是望远镜系统，也可以是显微镜系统，还可以是普通成像镜头。
所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据已有的目标和噪声的先验知识确定要实现超分辨率成像的瞳面调制性能，制备瞳面振幅调制器和瞳面相位调制器；瞳面振幅调制器的加工过程包括：根据所设计透过率不同区域按照光透过率从高到低的顺序依次排序，首先对掩模板加涂最高透过率的遮光材料，其次对除最高透过率区域的其他区域加涂次高透过率的遮光材料，直到完全不透光的遮光材料；所述瞳面相位滤波器的加工过程包括：首先制作出所需相位分布的掩模版，将透光区域和不透光区域分开，然后利用光刻技术经曝光和显影两个步骤将掩模版图形转印到涂在基片表面的光刻胶上，最后利用刻蚀技术将光刻胶形成的图形转印到基底上，只需要刻蚀一次；
(2)针对已有的系统先验知识图像实际应用需求，确定适合的评价参数，或包含多个评价参数的评价函数；评价参数包括最大旁瓣高度、均方误差、峰值信噪比；
(3)根据已测得的瞳面相位调制器的刻蚀缺陷，确定变形镜的初始面型；根据图像实际应用需求，确定适合的评价参数，或包含多个评价参数的评价函数；
(4)数据处理计算机根据成像CCD观测目标的远场图像，计算每一帧远场图像的评价函数，在此基础上用爬山法或SPGD收敛算法改变瞳面面型，实现闭环成像，最终获得满足需求的超分辨图像。
本发明与现有技术相比的优点是：
(1)本发明利用瞳面复振幅调制系统和变形镜对光学系统瞳面复振幅进行复合调制，其调制具有调制空间频率高、调制动态范围大等特点；
(2)本发明利用变形镜实现高空间频率的光束相位调制，避免了传统上使用的阶梯型瞳面相位调制器在多次刻蚀加工过程中带来的加工误差和面型缺陷等缺点，同时使每组瞳面复振幅调制系统能实现的调制范围增大，降低了系统成本；
(3)本发明根据对最终采集图像的具体需求，设置评价参数或评价函数，利用数据处理计算机根据成像CCD观测到的目标远场图像计算其评价参数或评价函数，利用爬山法、SPGD等收敛算法改变变形镜控制矩阵，实现动态优化图像；
(4)本发明不需要改变前端光学望远镜的主体结构，只需要在现有的天光学系统的出瞳处加装瞳面复振幅复合调制装置。因此，特别适用于提升现有光学系统的分辨性能。
附图说明
图1为本发明装置的组成及原理示意图；
图2为二元式瞳面振幅滤波器和三环式瞳面相位滤波器；
图3为瞳面相位滤波器的加工过程；其中：a-掩模板b-曝光c-显影d-刻蚀；
图4为测到的瞳面相位滤波器因刻蚀工艺造成的面型缺陷。
具体实施方式
如图1所示，本发明应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置的组成包括前端光学系统1、瞳面复振幅调制系统2、变形镜6、成像透镜9、成像CCD10、数据处理计算机11和若干反射镜，若干反射镜包括转束平面反射镜3、离轴抛物面反射镜4、第一球面反射镜5、变形镜6、第二球面反射镜7、第三球面反射镜8。
前端光学系统1对目标发出的光收集转折后沿光轴方向出射；瞳面复振幅调制系统2位于前端光学系统1的出瞳位置，对其出射光束进行复振幅调制，其中:出射光束通过瞳面振幅滤波器13时，不同位置的光学透过率不同，实现对光束振幅的调制，通过瞳面相位滤波器14时，不同位置的光的光程不同，实现对光束相位的调制；
经平面反射镜3、离轴抛物面反射镜4和第一球面反射镜5后到位于出瞳共轭面的变形镜6处，变形镜6实现对光束的高阶相位调制，瞳面复振幅调制系统2和变形镜6联合对光束复振幅实现复合调制，其中：瞳面复振幅调制系统2能够实现瞳面复振幅的低阶调制，变形镜6实现瞳面相位的高阶调制，弥补瞳面复振幅调制系统2因刻蚀加工工艺造成的面型缺陷，同时根据观测目标成像特点动态改变瞳面相位分布，实现瞳面复振幅的动态调制。
经调制后的光束再经第二球面反射镜7、第三球面反射镜8后由成像透镜9汇聚于成像CCD10靶面之上，数据处理计算机11针对CCD10采集到的图像进行分析，修正变形镜6的控制矩阵，使图像成像细节清晰，最终实现超分辨率成像的过程。
下面以结合利用实际天文望远镜系统对星空中的区分双星目标成像为例，介绍超分辨的瞳面复振幅复合调制方法的实现过程：
现要对天空中的一组双星目标成像，其角间距为2.0角秒。先有的天文望远镜系统的口径为100mm，成像波长为1064nm，其理论极限分辨率为2.68个角秒，要达到在像面上实现完美区分双星目标，所需求的超分辨性能为1.34。经过分析，系统的噪声可以近似视为高斯噪声，全系统的信噪比为50dB。
如图2所示，针对要达到的超分辨性能，选择瞳面振幅滤波器和瞳面相位滤波器。基于加工限制，选择了二元式瞳面振幅滤波器(距离圆心0-0.16倍半径范围内的光透过率为0，距离圆心0.16-1倍半径范围内光透过率为1)和三环式瞳面相位滤波器(半径在0-0.30和0.55-1倍半径范围内的调制相位为0，半径在0.30-0.55范围内的相位为π)。以上二元式瞳面振幅滤波器和三环式瞳面相位滤波器能实现的超分辨率性能为1.29，剩余性能需要通过系统的37单元压电陶瓷变形镜实现。
如图3所示，三环式瞳面相位滤波器需要加工制作，其制作过程包括a制作出所需相位分布的掩模版，将透光区域和不透光区域分开，然后利用光刻技术经b曝光和c显影两个步骤将掩模版图形转印到涂在基片表面的光刻胶上，最后利用刻蚀技术将光刻胶形成的图形转印到基底上，得到d三环式瞳面相位滤波器。
如图4所示，利用软件对三环式瞳面相位滤波器进行面型检测发现，实际加工过程由于刻蚀工艺的技术所限，导致其面型并非完美的阶梯型。
要实现在像面上对双星目标两个峰值的分辨，可以选择目标参数K为CCD靶面上的最大值与视场中心点的光强比值。K＝1时表示视场中最亮的点位于双星中心位置，也就是无法分辨双星目标。K的值越大，表示越容易区分双星目标。
通过对所加工的二元式瞳面振幅滤波器实际透过率检测和三环式瞳面相位滤波器实际面形检测，可以实际求取瞳面复振幅调制系统的调制函数其中A(x，y)为二元式瞳面振幅滤波器实际透过率，三环式瞳面相位滤波器实际面形，λ为成像波长，j为虚数单位。已知目标为对称目标，因此实现其超分辨率成像的瞳面调制函数也为对称函数，因此需要通过变形镜补偿的初始面形为：PDM(x，y)＝[3P(x，y)-P(-x，y)-P(x，-y)-P(-x，-y)]/4。此时根据37单元压电陶瓷变形镜的相应函数，可以求取其初始电压控制矩阵。此时根据CCD成像测得目标参数K为1.0845，改变变形镜控制矩阵，根据K值变化判断控制矩阵的优化方向，完成一次闭环。经过160次闭环之后，K值稳定在1.0988。这与无噪声情况下K的理论值1.1007基本相符。说明系统优化完毕，实现了对双星目标的超分辨率成像。
总之，本发明利用瞳面复振幅调制系统和变形镜对光学系统瞳面复振幅进行复合调制，其调制具有调制空间频率高、调制动态范围大、可动态对图像进行针对性优化等特点，可以实现超过传统光学镜头理论衍射极限的角分辨率成像，为衍射受限光学系统实现超分辨率成像提供了一种新技术。

Claims (8)

1.一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：包括前端光学系统(1)、瞳面复振幅调制系统(2)、转束平面反射镜(3)、离轴抛物面反射镜(4)、第一球面反射镜(5)、变形镜(6)、第二球面反射镜(7)、第三球面反射镜(8)、成像透镜(9)、成像CCD(10)和数据处理计算机(11)；
瞳面复振幅调制系统(2)包括：瞳面振幅滤波器(13)，瞳面相位滤波器(14)和同轴双滤波片切换架(12)；
前端光学系统(1)对目标发出的光收集转折后沿光轴方向出射，瞳面复振幅调制系统(2)位于前端光学系统(1)的出瞳位置，对前端光学系统(1)出射光束进行复振幅调制，当光束通过瞳面振幅滤波器(13)时，光束口径内不同位置的光学透过率不同，实现对光束振幅的调制，当通过瞳面相位滤波器(14)时，光束口径内不同位置的光程不同，实现对光束相位的调制；接着光束经平面反射镜(3)、离轴抛物面反射镜(4)和第一球面反射镜(5)后到位于出瞳共轭面的变形镜(6)处，变形镜(6)实现对光束的高阶相位调制，瞳面复振幅调制系统(2)和变形镜(6)联合对光束复振幅实现复合调制，其中：瞳面复振幅调制系统(2)能够实现瞳面复振幅的低阶调制，变形镜(6)实现瞳面相位的高阶调制，弥补瞳面复振幅调制系统(2)调制空间频率不足的缺点；
经调制后的光束再经第二球面反射镜(7)、第三球面反射镜(8)后由成像透镜(9)汇聚于成像CCD(10)靶面之上，数据处理计算机(11)针对CCD(10)采集到的图像进行分析，修正变形镜(6)的面形，实现超分辨率成像。
2.根据权利要求1所述的一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述瞳面振幅滤波器(13)和瞳面相位滤波器(14)放置在同轴双滤波片切换架(12)上。
3.根据权利要求1所述的一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述同轴双滤波片切换架(12)的每个切换架上，同时加装多片调制函数不同的瞳面振幅滤波器(13)和瞳面相位滤波器(14)；在不影响到其他光路的情况下，可以直接切换不同的瞳面振幅滤波器(13)和瞳面相位滤波器(14)，以组合出不同的瞳面复振幅调制函数，适应不同的观测目标和环境噪声下超分辨率成像的需求。
4.根据权利要求1所述的一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：变形镜(6)镜面初始面形由选定的瞳面复振幅调制系统(2)的调制函数，与超分辨所需的瞳面调制函数之间的差别决定。
5.根据权利要求1所述的一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述瞳面振幅调制器(13)的加工过程包括：根据所设计透过率不同区域按照光透过率从高到低的顺序依次排序，首先对掩模板加涂最高透过率的遮光材料，其次对除最高透过率区域的其他区域加涂次高透过率的遮光材料，直到完全不透光的遮光材料。
6.根据权利要求1所述的一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述瞳面相位滤波器(14)的加工过程包括：首先制作出所需相位分布的掩模版，将透光区域和不透光区域分开，然后利用光刻技术经曝光和显影两个步骤将掩模版图形转印到涂在基片表面的光刻胶上，最后利用刻蚀技术将光刻胶形成的图形转印到基底上，只需要刻蚀一次，避免多次刻蚀产生的掩模版对中误差。
7.根据权利要求1所述的一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：前端光学系统(1)可以是望远镜系统，也可以是显微镜系统，还可以是普通成像镜头。
8.一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据已有的目标和噪声的先验知识确定要实现超分辨率成像的瞳面调制性能，制备瞳面振幅调制器(13)和瞳面相位调制器(14)；瞳面振幅调制器(13)的加工过程包括：根据所设计透过率不同区域按照光透过率从高到低的顺序依次排序，首先对掩模板加涂最高透过率的遮光材料，其次对除最高透过率区域的其他区域加涂次高透过率的遮光材料，直到完全不透光的遮光材料；所述瞳面相位滤波器(14)的加工过程包括：首先制作出所需相位分布的掩模版，将透光区域和不透光区域分开，然后利用光刻技术经曝光和显影两个步骤将掩模版图形转印到涂在基片表面的光刻胶上，最后利用刻蚀技术将光刻胶形成的图形转印到基底上，只需要刻蚀一次；
(2)针对已有的系统先验知识图像实际应用需求，确定适合的评价参数，或包含多个评价参数的评价函数；评价参数包括最大旁瓣高度、均方误差、峰值信噪比；
(3)根据已测得的瞳面相位调制器(14)的刻蚀缺陷，确定变形镜的初始面型；根据图像实际应用需求，确定适合的评价参数，或包含多个评价参数的评价函数；
(4)数据处理计算机(11)根据成像CCD(10)观测目标的远场图像，计算每一帧远场图像的评价函数，在此基础上用爬山法或SPGD收敛算法改变瞳面面型，实现闭环成像，最终获得满足需求的超分辨图像。
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