CN110333601A - 一种加入微光学元件的高分辨成像系统 - Google Patents

一种加入微光学元件的高分辨成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学器件技术领域，公开了一种加入微光学元件的高分辨成像系统，所述高分辨成像系统的像差校正系统由像差校正透镜组和一个表面具有若干个沟槽结构的衍射透镜，首先使用像差校正透镜组对高分辨成像系统的轴上以及轴外的像差进行校正，然后通过在衍射透镜的表面形成沟槽结构，以形成微光学元件，并利用微光学元件与传统光学元件相反的色散性质，以与成像光学组件的色差相互补偿从而达到消除色差的目的，同时，进一步提升系统的分辨率，将高分辨成像系统的分辨率在各个视场角及各个可见光波段都提升到接近衍射极限、达到超高分辨成像。由于像差校正系统设置在成像光学组件的光线出射侧，因此像差校正系统的体积较小、重量较轻，对系统产生较小的额外载荷。

Description

一种加入微光学元件的高分辨成像系统
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种加入微光学元件的高分辨成像系统。
背景技术
望远镜是光学仪器中重要的一部分，在军事侦察，天文观测等方面都发挥着重要的作用。由于望远镜的制作离不开折射光学元件，而折射光学元件因其自身光学特性会产生各类像差，直接影响成像质量，同时由于折射元件对光束波前的调制通常依赖其表面的曲率，因此不可避免具有体积大，质量大等特点。
为提高望远镜性能，主要通过在望远镜中引入消色差透镜和抛物面反射镜来减少球差和色差。然而，根据光的衍射理论，光学系统的最小分辨率为1.22λ/D，其中λ表示入射波长，D表示物镜孔径。增大物镜直径可以提高成像分辨率，但是孔径增大将会导致望远镜的成本呈指数增长，系统复杂性也大幅增加。
近年来，在光学系统设计上可利用改变高分辨成像系统结构和透镜参数实现高成像质量，例如设计卡塞格林望远镜、施密特望远镜等，但受光学元件自身特性限制，很难在保持系统分辨率的情况下进一步减少元件数目及提高精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种加入微光学元件的高分辨成像系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明实施例中提供一种加入微光学元件的高分辨成像系统，包括成像光学组件，还包括：
设置在成像光学组件和像面之间的像差校正透镜组，成像光学组件的出射光线经过像差校正透镜组的调整后出射；
设置在像差校正透镜组和像面之间的衍射透镜，所述衍射透镜的表面具有若干个沟槽结构，经过像差校正透镜组的调整后的光线，投射至衍射透镜的沟槽结构上，经过调整后投射至像面上。
可选的，所述若干个沟槽结构的深度不同。
可选的，所述沟槽结构的深度大于0，且小于等于其中，n为衍射透镜的折射率，λ为入射光线波长。
可选的，所述若干个沟槽结构呈锯齿方式排布，所述若干个沟槽结构位于一圆形区域内，所述圆形区域的半径与入射至衍射透镜上的光束的宽度相同。
可选的，所述若干个沟槽结构的深度通过以下公式求得：
其中：Ai是衍射透镜表面的沟槽结构的系数，r为衍射透镜的归一化半径，N为衍射透镜的面型计算精度，N越大衍射透镜的面型计算精度越高。c为透镜的轴锥系数，k为透镜曲率半径的倒数，λ是入射光波长，n是衍射透镜的介质材料折射率，mod为求余函数，Φ(r)为衍射透镜在不同半径上的相位调制能力，Z(r)为衍射透镜在不同半径上的厚度，衍射透镜表面的沟槽结构的深度为凹槽结构周边的衍射透镜的厚度与相同半径上的Z(r)的差值。
可选的，所述像差校正透镜组包括靠近成像光学组件的场镜，以及位于场镜和衍射透镜之间的多片像差校正透镜。
可选的，所述多片像差校正透镜采用非球面镜。
可选的，所述成像光学组件包括主镜和副镜，主镜位于副镜和像差校正透镜组之间，物体的光线经主镜的反射后投射至副镜，再经副镜的反射经由副镜的中心开口出射。
可选的，所述像差校正透镜组和衍射透镜的直径，小于主镜和副镜的直径。
可选的，所述高分辨成像系统包括两个所述衍射透镜。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明的像差校正系统由像差校正透镜组和一个表面具有若干个沟槽结构的衍射透镜，形成微光学元件，首先使用像差校正透镜组对高分辨成像系统的轴上以及轴外的像差进行校正，然后通过在衍射透镜的表面形成沟槽结构，以形成微光学元件，并利用微光学元件与传统光学元件相反的色散性质，以与成像光学组件的色差相互补偿从而达到消除色差的目的，同时，进一步提升系统的分辨率，将高分辨成像系统的分辨率在各个视场角及各个可见光波段都提升到接近衍射极限、达到超高分辨成像。由于像差校正系统设置在成像光学组件的光线出射侧，因此像差校正系统的体积较小、重量较轻，对系统产生较小的额外载荷。本发明可在军事侦察、天文观测、医学成像、日常生活等涉及高分辨率成像领域中发挥重要作用。
附图说明
图1为本发明实施例中卡塞格林高分辨成像系统的结构图；
图2为本发明实施例中卡塞格林高分辨成像系统的调制传递函数曲线；
图3a-3c为本发明实施例中卡塞格林高分辨成像系统的点光源入射时各个视场及各个波段的点斑分布情况；
图4a为现有的卡塞格林高分辨成像系统的成像结果图；
图4b为本发明实施例中卡塞格林高分辨成像系统的0°视场的成像结果图；
图4c为本发明实施例中卡塞格林高分辨成像系统的0.3°视场的成像结果图；
图4d为本发明实施例中卡塞格林高分辨成像系统的0.5°视场的成像结果图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
结合图1所示，本发明实施例中提供一种加入微光学元件的高分辨成像系统，包括：
成像光学组件1，用于实现在像面上对物体进行成像，物体的光线经由物面投射至成像光学组件1；
设置在成像光学组件1和像面之间的像差校正透镜组2，成像光学组件1的出射光线经过像差校正透镜组2的调整后出射；
设置在像差校正透镜组2和像面之间的衍射透镜3，所述衍射透镜3的表面具有若干个沟槽结构，经过像差校正透镜组2的调整后的光线，投射至衍射透镜3的沟槽结构上，经过调整后投射至像面上。
本发明的像差校正系统由像差校正透镜组和一个表面具有若干个沟槽结构的衍射透镜，首先使用像差校正透镜组对高分辨成像系统的轴上以及轴外的像差进行校正，然后通过在衍射透镜的表面形成沟槽结构，以形成微光学元件，并利用微光学元件与传统光学元件相反的色散性质，以与成像光学组件的色差相互补偿从而达到消除色差的目的，同时，进一步提升系统的分辨率，将高分辨成像系统的分辨率在各个视场角及各个可见光波段都提升到接近衍射极限、达到超高分辨成像。由于像差校正系统设置在成像光学组件的光线出射侧，因此像差校正系统的体积较小、重量较轻，对系统产生较小的额外载荷。
本发明可在军事侦察、天文观测、医学成像、日常生活等涉及高分辨率成像领域中发挥重要作用。
本发明的高分辨成像系统可以但并不局限于为望远镜。
根据不同的高分辨成像系统，所述成像光学组件1的结构不同。例如：对于卡塞格林高分辨成像系统，卡塞格林系统是一种同轴反射式系统，可以在较短的总长度下获得相当长的焦距，其成像光学组件1由两个反射镜组成，分别称为主镜10和副镜11，主镜10是抛物面或近似抛物面，副镜11是双曲面。主镜10位于副镜11和像差校正透镜组2之间，物体的光线经主镜10的反射后投射至副镜11，再经副镜11的反射经由副镜11的中心开口出射。
现有的卡塞格林高分辨成像系统只有对轴上光才能完善成像，对轴外光成像即使视场很小也有明显像差，而通过采用本发明的技术方案能够对像差进行校正，并消除色差，提升成像系统的分辨率，使得成像系统的分辨率在各个视场角及各个可见光波段都提升到接近衍射极限，达到超高分辨成像。
其中，所述像差校正透镜组2和衍射透镜3的直径，小于主镜10和副镜11的直径，因此，像差校正系统的体积较小、重量较轻，对高分辨成像系统产生较小的额外载荷。
进一步地，设置所述像差校正透镜组2包括靠近成像光学组件1的场镜20，以及位于场镜和衍射透镜3之间的多片像差校正透镜(如图1中的21、22)，从而首先利用场镜对成像光学组件1的轴外像差进行校正，并对彗差及象散进行补偿。所述多片像差校正透镜可以采用非球面镜，以对球差以及场曲进行优化及补偿。所述衍射透镜3用于对成像光学组件1以及像差校正透镜组2产生的色差进行补偿，使得系统各个视场的分辨率接近衍射极限。
所述衍射透镜3可以采用非球面镜。
为了进一步消除色差，提升分辨率，本发明实施例中可以设置两个所述衍射透镜，两个衍射透镜在成像光学组件的光线出射方向上层叠设置。当然，也可以设置两个以上的衍射透镜，考虑到系统的体积，设置两个衍射透镜即可。
其中，所述衍射透镜3表面的沟槽结构的个数与衍射透镜3的面型计算精度相关。
进一步地，设置所述若干个沟槽结构的深度不同，呈非线性变化，提高MTF曲线大小，减小RMS均方根尺寸，进一步提高高分辨成像系统的成像质量。
其中，沟槽结构的深度大于且小于等于即沟槽结构的深度在这个区间内取值，其中，n为衍射透镜3的折射率，λ为入射光线波长。
所述若干个沟槽结构可以呈锯齿方式排布，并位于一圆形区域内，所述圆形区域的半径与入射至衍射透镜3上的光束的宽度相同，以对入射至衍射透镜3上的光线进行调整。
所述若干个沟槽结构的深度可以通过以下公式求得：
其中：Ai是衍射透镜3表面的沟槽结构的系数，r为衍射透镜的归一化半径，N为衍射透镜3的面型计算精度，N越大衍射透镜3的面型计算精度越高。c为透镜的轴锥系数，k为透镜曲率半径的倒数，λ是入射光波长，n是衍射透镜的介质材料折射率，mod为求余函数。Φ(r)为衍射透镜在不同半径(以成像光学组件1的光轴为中心)上的相位调制能力，Z(r)为衍射透镜在不同半径上的厚度。
其中，衍射透镜表面的沟槽结构的深度为凹槽结构周边的衍射透镜的厚度与相同半径上的Z(r)的差值，即衍射透镜的厚度Z(r)分布与凹槽结构的深度分布相同。
具体可以根据光线追迹软件算出表面具有沟槽结构的衍射透镜的波前相位，并取衍射透镜的面型计算精度N，再通过最小二乘法将系统色差及像差的补偿相位用多次多项式进行拟合，得到沟槽结构的系数。
进一步地，可以利用光学设计软件模拟添加衍射透镜3前后的高分辨成像系统的光路图，分析PSF图、MTF曲线以及点列图，对衍射透镜3表面的沟槽结构的参数进行优化，进一步降低系统的色差和畸变，矫正系统的像散和场曲，增大工作距离，提高了分辨率。
本发明中高分辨相位调制的双层微光学元件(衍射透镜表面的凹槽结构)的制作可采用金刚石切削的技术来实现，具体步骤如下：
通过软件导入衍射透镜的表面结构图；
使用金刚石切削机床根据表面结构图对衍射透镜3的表面进行加工，以在衍射透镜的表面形成若干个沟槽结构。
具体的参数以如下为例：
衍射透镜的材料为玻璃SF2，入射波长λinc＝588纳米，折射率n＝1.65，衍射透镜的前曲率(靠近物面一侧的曲率)为-257.915毫米、轴锥系数为104.916，通光孔径为13.978毫米，衍射透镜的若干个沟槽结构所在的圆形区域的半径大小为2.014mm。
根据光线追迹软件算出表面具有沟槽结构的衍射透镜的波前相位，取衍射透镜的面型计算精度N为10，再通过最小二乘法将系统色差及像差的补偿相位用20次多项式进行拟合，得到沟槽结构的系数A1为-2.508×104、A2为2.887×106、A3为-6.612×108、A4为8.013×1010、A5为-4.806×1012、A6为1.367×1014、A7为-4.211×1015、A8为3.966×1017、A9为-1.900×1019、A10为3.047×1020，带入相位调制能Φ(r)的计算公式中可得到沿半径方向的相位分布，将得到的相位分布带入厚度Z(r)的计算公式，根据Z(r)可以得到衍射透镜3表面的若干个沟槽结构的深度分布。
以卡塞格林高分辨成像系统为例，作为一个具体的实施方式，成像光学组件1的通光孔径为200毫米、视场角为1°，主要工作波长设定为介于486纳米及645纳米的可见光波段中。主镜10的曲率半径设定为-1254.974毫米，轴锥系数为-1.421，通光孔径半径大小为100.035毫米。主镜10与副镜11之间的面间距为450毫米。副镜11曲率半径为-503.806毫米，轴锥系数为-8.047，通光孔径半径为32.383毫米。副镜11与像差校正透镜组2的场镜20的面间距为470毫米。场镜20的前表面的曲率半径为31.584毫米、后表面的曲率半径为113.386毫米、厚度为10毫米、材料为N-PSK53、轴锥系数为-0.173、通光半径为21.133毫米。场镜20与第一个像差校正透镜21之间的距离为5毫米。第一个像差校正透镜21前表面的曲率半径为183.190毫米、后表面的曲率半径为43.669毫米、厚度为5毫米、材料为SF1、轴锥系数为16.834、通光半径为18.241毫米。第一个像差校正透镜21与第二个像差校正透镜22之间的距离为5毫米。第二个像差校正透镜22前表面的曲率半径为48.483毫米、后表面的曲率半径为24.555毫米、厚度为5毫米、材料为BK7、轴锥系数为-2.315、通光半径为15.479毫米。第二个像差校正透镜22与衍射透镜3之间的距离为15毫米。衍射透镜3前表面的曲率半径为-257.915毫米、后表面的曲率半径为-54.381毫米、厚度为5毫米、材料为玻璃SF2、轴锥系数为104.916、通光孔径为13.978毫米，衍射透镜3与像面的距离为23.042毫米。
采用本发明的像差校正系统的的卡塞格林高分辨成像系统的调制传递函数曲线，在各个空间频率上以及各个视场上的调制传递函数都与衍射极限十分接近(如图2所示)，且轴向和径向的分辨率差异不大，说明系统的各个视场及各个方向分辨率较为一致，且都接近了衍射极限，输出图像具有非常高的图像保真度。
另外，采用本发明的像差校正系统的的卡塞格林高分辨成像系统的各个视场下可见光波段(486纳米至656纳米)的点扩散函数的均方根半径非常小。中心0°视场的点扩散函数的均方根半径为0.546微米(如图3a所示)、边缘0.3°视场的点扩散函数的均方根半径为0.792微米(如图3b所示)、最边缘0.5°视场的点扩散函数的均方根半径为1.026微米(如图3c所示)，由于该系统的艾里斑的点扩散函数的半径为4.304微米，因此该望远系统在中心和边缘视场的分辨率已经达到了衍射极限，其中，IMA代表像面，OBJ代表物面。
对比图4a-图4d，可见采用本发明的像差校正系统的的卡塞格林高分辨成像系统对成像进行模拟可以得到几乎无损的成像结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种加入微光学元件的高分辨成像系统，包括成像光学组件，其特征在于，还包括：
设置在成像光学组件和像面之间的像差校正透镜组，成像光学组件的出射光线经过像差校正透镜组的调整后出射；
设置在像差校正透镜组和像面之间的衍射透镜，所述衍射透镜的表面具有若干个沟槽结构，经过像差校正透镜组的调整后的光线，投射至衍射透镜的沟槽结构上，经过调整后投射至像面上。
2.如权利要求1所述的高分辨成像系统，其特征在于，所述若干个沟槽结构的深度不同。
3.如权利要求2所述的高分辨成像系统，其特征在于，所述沟槽结构的深度大于0，且小于等于其中，n为衍射透镜的折射率，λ为入射光线波长。
4.如权利要求3所述的高分辨成像系统，其特征在于，所述若干个沟槽结构呈锯齿方式排布，所述若干个沟槽结构位于一圆形区域内，所述圆形区域的半径与入射至衍射透镜上的光束的宽度相同。
5.如权利要求4所述的高分辨成像系统，其特征在于，所述若干个沟槽结构的深度通过以下公式求得：
其中：Ai是衍射透镜表面的沟槽结构的系数，r为衍射透镜的归一化半径，N为衍射透镜的面型计算精度，N越大衍射透镜的面型计算精度越高。c为透镜的轴锥系数，k为透镜曲率半径的倒数，λ是入射光波长，n是衍射透镜的介质材料折射率，mod为求余函数，Φ(r)为衍射透镜在不同半径上的相位调制能力，Z(r)为衍射透镜在不同半径上的厚度，衍射透镜表面的沟槽结构的深度为凹槽结构周边的衍射透镜的厚度与相同半径上的Z(r)的差值。
6.如权利要求1-5任一项所述的高分辨成像系统，其特征在于，所述像差校正透镜组包括靠近成像光学组件的场镜，以及位于场镜和衍射透镜之间的多片像差校正透镜。
7.如权利要求6所述的高分辨成像系统，其特征在于，所述多片像差校正透镜采用非球面镜。
8.如权利要求1-5任一项所述的高分辨成像系统，其特征在于，所述成像光学组件包括主镜和副镜，主镜位于副镜和像差校正透镜组之间，物体的光线经主镜的反射后投射至副镜，再经副镜的反射经由副镜的中心开口出射。
9.如权利要求8所述的高分辨成像系统，其特征在于，所述像差校正透镜组和衍射透镜的直径，小于主镜和副镜的直径。
10.如权利要求1-5任一项所述的高分辨成像系统，其特征在于，所述高分辨成像系统包括两个所述衍射透镜。
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