CN111221122A - 较大视场强容差超分辨望远成像系统设计方法 - Google Patents

Abstract

较大视场强容差超分辨望远成像系统设计方法，属于远场超分辨成像技术领域，为了解决现有的超分辨望远成像系统成像视场小，且对光学系统加工装调公差精度要求过高的的问题，该方法首先设定整个系统的工作波长、通光口径、F数、视场，求出系统衍射极限艾里斑主瓣宽度；然后利用全局优化算法设计光瞳调制器的调制函数；接下来设计光学基底系统，在ZEMAX软件中利用操作数限制彗差和像散，并监测球差；使用宏语言编写自定义操作数并调用，使得不同视场、波长处的环围半径相似且尽量小；之后将光瞳调制器放置在所述光学基底系统中的光瞳或光瞳中间像位置处，以一定的步长前后微调像面位置，直到各视场点的PSF形状圆整且接近一致。

Description

较大视场强容差超分辨望远成像系统设计方法

技术领域

本发明属于远场超分辨成像技术领域，具体涉及到一种较大视场强容差超分辨望远成像系统设计方法。

背景技术

相比地基空间目标探测手段，天基空间探测手段有着不可替代的优点：(1)不受地球大气影响，而这是限制地基空间目标探测分辨率和精度的主要原因；(2)通过合理的轨道设计，能够实现对空间目标的近距离观测，可以极大地提高探测分辨力和精度；(3)可获得较大的观测范围；(4)可全天候工作。由于空间目标距离遥远，天基光学探测系统基本为望远成像系统，其光学分辨率严格受到瑞利判据1.22λ/D限制，其中D为光瞳尺寸，λ为工作波长，因而增强天基望远分辨能力的主要手段在于增大光学入瞳，这将使得光学系统的体积重量呈平方倍率增加。然而，地面发射能力有限，促使人们寻找在一定大小的光学系统口径的前提下提高成像分辨率的新方法，光瞳调制技术即为其中一项很有希望的技术。其工作原理是在光学系统光瞳处放置调制器，调制出射波前的振幅和位相分布，从而使衍射斑主瓣更细窄。

以往的光瞳调制超分辨技术用于大口径望远系统时，多存在系统成像视场较小、系统加工装调公差极严的问题，主要是由两个原因造成：(1)光瞳调制技术会造成主瓣能量的下降和旁瓣能量的上升，当旁瓣/主瓣能量之比较大时，只有围绕着主瓣的一小块视场内能正常成像，称为局部视场，局部视场外相邻像点会产生混淆，导致成像模糊；(2)望远系统进行光学设计时，非零视场往往残留一定非对称像差，而超分辨远场成像对非对称像差容忍度很低，需要像质接近衍射极限，这也限制了系统能实现的视场范围；同时留给加工装调的误差余量极小，给制造提出很大挑战。中国专利201610517791.4中的远场超分辨成像装置用在长焦望远系统中，仅能实现局域视场(微弧度级)内的超分辨成像，需要利用扫描视场光阑的方式来进一步增大视场，系统较为复杂且成像时间很长。

发明内容

本发明为了解决现有的超分辨望远成像系统成像视场小，且对光学系统加工装调公差精度要求过高的的问题，提出一种较大视场强容差超分辨望远成像系统设计方法。

本发明采用的技术方案为：

所述较大视场强容差超分辨望远成像系统的设计方法，包含以下步骤：

步骤一，设定整个系统的工作波长λ、通光口径D、F数、视场w，求出系统衍射极限艾里斑主瓣宽度d，d＝2.44λF；

步骤二，以平行光通过光瞳调制器后的PSF作为评价标准，利用全局优化算法设计光瞳调制器的调制函数，调制函数可以为纯振幅型、纯位相型或复振幅型，其应满足当工作波长的平行光束通过此调制器，并经过F数与系统一致的理想透镜聚焦后，焦平面处形成的PSF的主瓣宽度小于衍射极限艾里斑主瓣宽度d，点扩散函数的任意旁瓣相对中心主瓣峰值高度<0.1；

步骤三，设计光学基底系统，光学基底系统由前置的望远单元和后接成像单元组成。其中望远单元包括卡塞格林镜组和准直镜组，卡塞格林镜组用于形成一次像面，该处可安置消杂光光阑；成像单元为成像镜组，对平行光束进行汇聚成像，利用CCD探测器进行接收；在ZEMAX软件中利用操作数COMA和ASTI限制彗差和像散，令其目标为0；利用操作数SPHA监测球差，但其权重设为0，即该操作数并不直接参与优化；此外使用宏语言编写自定义操作数，由ZEMAX获得任意视场、波长处的点扩散函数能量集中度，并计算一定能量集中度值对应的环围半径r，环围半径越小，成像质量越好，则自定义操作数可以编写为：

其中，r₀为中心视场、中心波长处的环围半径，r_i和p_i分别为各个视场点、波长处环围半径和优化权重；在ZEMAX中调用该自定义操作数对光学基底系统进行优化，使得不同视场、波长处的环围半径相似且尽量小，以提高成像质量；

步骤四，将光瞳调制器放置在所述光学基底系统中的光瞳或光瞳中间像位置处，以一定的步长前后微调像面位置，相当于不断改变系统的离焦量，直到各视场点的PSF形状圆整且接近一致，同时各视场点的PSF满足中心主瓣宽度小于衍射极限主瓣宽度d，任意旁瓣相对中心主瓣峰值高度<0.1；

步骤五，如微调像面后PSF仍无法满足中心主瓣宽度小于衍射极限主瓣宽度d，任意旁瓣相对中心主瓣峰值高度<0.1，则重复步骤三，并适当提高自定义操作数中能量集中度的取值，再进行步骤四，直到PSF满足要求。

本发明的有益效果为：

(1)本发明在ZEMAX中利用现有的和自定义的操作数对超分辨望远系统的光学基底系统进行优化，使超分辨望远系统在较大视场内超分辨成像性能统一，且在整个视场范围内维持了较高的超分辨倍率和较低的旁瓣能量，因而本发明可在较大视场内一次性成像，不需进行扫描，简化了系统结构，提高了成像速度；

(2)本发明的超分辨望远系统在全视场内像质统一，残余少量的对称性像差(球差和离焦)，公差影响下有可能使系统像差反而变小，即加工装调引起的误差与系统本身像差相抵消，因此增大了容差范围，降低对加工装调精度的要求。

附图说明

附图1为较大视场强容差超分辨望远成像系统的示意图；

附图2为较大视场强容差超分辨望远成像系统设计方法；

附图3为位相型光瞳调制器的位相分布；

附图4为加入光瞳调制器前后的超分辨点扩散函数(PSF)；

附图5为各视场均一像质的光学基底系统各视场点列图；

附图6为较大视场强容差超分辨望远成像系统各视场的PSF二维分布，其中(a)、(b)、(c)分别对应零视场、0.16°视场和0.28°视场；

附图7为较大视场强容差超分辨望远成像系统各视场的PSF横截面，其中(a)、(b)、(c)分别对应零视场、0.16°视场和0.28°视场；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，较大视场强容差超分辨望远成像系统，主要包括卡塞格林镜组1、准直镜组2、光瞳调制器3、成像镜组4和探测器5。其中，所述光瞳调制器3放置在卡塞格林镜组1和准直镜组2组合的后焦面处。入射平行光通过卡塞格林镜组1成一次像，再经过准直镜组2被准直为平行光，被光瞳调制器3进行光瞳调制后，经成像镜组4，最终成像在探测器5上。

如图2所示，较大视场强容差超分辨望远成像系统的设计方法，包含以下步骤：

步骤一，设定整个系统的工作波长λ＝632.8nm、通光口径D＝250mm、F#＝12、视场2w＝0.28°，求出系统衍射极限艾里斑主瓣宽度d，d＝2.44λF#＝18.53μm；

步骤二，以平行光通过光瞳调制器3后的点扩散函数(PSF)作为评价标准，利用全局优化算法设计光瞳调制器3的调制函数。为增强工程应用性，光瞳调制器3设计为仅具有0、π相移的环带型纯相位器件。采用逆向设计法，设置位相跃变点取值范围，计算焦面处光强分布，利用遗传算法，寻找使M值最小的最优函数。优化中必须满足的边界条件为：PSF的主瓣宽度与衍射极限艾里斑主瓣宽度之比，即超分辨倍率G>1.2，PSF的任意旁瓣相对中心主瓣峰值高度M<0.1。在工作波长为632.8nm，系统F#为12的条件下，求得环带数n＝5时焦面光强具有较优分布。此时位相分布示意图如图3，r₁＝0.211，r₂＝0.36，r₃＝0,61，r₄＝0.73。G＝1.27，M值为0.065，保证了整个视场范围内的物点可较为清晰的进行超分辨成像。加入光瞳调制器3前后的超分辨点扩散函数(PSF)见图4；

步骤三，设计光学基底系统，光学基底系统由前置的望远单元和后接成像单元组成，同图1。其中望远单元包括卡塞格林镜组1和准直镜组2，卡塞格林镜组1用于形成一次像面，该处可安置消杂光光阑。成像单元为成像镜组4，对平行光束进行汇聚成像，利用CCD探测器5进行接收。在ZEMAX软件中利用操作数COMA和ASTI限制彗差和像散，令其目标为0；利用操作数SPHA监测球差，但其权重设为0，即该操作数并不直接参与优化；此外使用宏语言编写自定义操作数，由于ZEMAX可获得任意视场、波长处的点扩散函数能量集中度，并计算一定能量集中度值对应的环围半径r，环围半径越小，成像质量越好，则自定义操作数可以编写为：

其中，r₀为中心视场、中心波长处的环围半径，r_i和p_i分别为各个视场点、波长处环围半径和优化权重。在ZEMAX中调用该自定义操作数对光学基底系统进行优化，使得不同视场、波长处的环围半径相似且尽量小，以提高成像质量。最终得到的各视场均一像质的光学基底系统像质见图5。由图5可见，由于设计中采用的操作数的限制作用，各视场均残余一定量球差，但不同视场点列图十分相似；

步骤四，将步骤二中设计的光瞳调制器3放置在光学基底系统的光瞳中间像位置，材料为熔石英。以0.02mm步长前后微调像面位置，相当于不断改变系统的离焦量，直到各视场点的PSF形状圆整且接近一致，加入位相板后各视场的超分辨PSF光强二维分布见图6，PSF横截面见图7，三个视场点主瓣直径分别为14.082，14.550，14.611μm，G分别为1.31，1.27，1.25，旁瓣因子M分别为0.072，0.069和0.091。说明实际设计中本发明的设计方法取得了良好效果，各视场成像质量趋同且在整个视场范围内维持了较高的超分辨倍率和较低的旁瓣能量。

对该实施例进行了容差分析，由于光学基底系统在全视场内均有一定量球差，公差影响下有可能使系统像差反而变小，即加工装调引起的误差与系统本身像差相抵消，而对超分辨成像效果不会有大的影响，因此增大了容差范围。利用光学设计软件进行了系统容差反向灵敏度分析，根据光学基底系统设计结果，评价标准为不同视场处的环围半径接近相等且不小于15μm，不超过25μm，不同视场RMS点斑X轴半径和Y轴半径的差值在5％以内，且均不超过25μm。利用ZPL宏语言编写该公差评价标准并与软件进行链接。最终得到的系统反射部分加工装调公差容限如表1所示，系统透射部分加工装调公差容限如表2所示。由表可见，反射镜半径、二次常数、间隔公差与透镜光圈数、厚度、折射率、间隔误差等中心对称公差以目前的光学制造水平均十分宽松，大大降低加工装调成本与难度。

表1系统反射部分加工装调公差容限

表2系统透射部分加工装调公差容限

Claims (1)

1.所述较大视场强容差超分辨望远成像系统的设计方法，其特征是，该方法包含以下步骤：步骤一，设定整个系统的工作波长λ、通光口径D、F数、视场w，求出系统衍射极限艾里斑主瓣宽度d，d＝2.44λF；

步骤二，以平行光通过光瞳调制器后的PSF作为评价标准，利用全局优化算法设计光瞳调制器的调制函数，调制函数可以为纯振幅型、纯位相型或复振幅型，其应满足当工作波长的平行光束通过此调制器，并经过F数与系统一致的理想透镜聚焦后，焦平面处形成的PSF的主瓣宽度小于衍射极限艾里斑主瓣宽度d，点扩散函数的任意旁瓣相对中心主瓣峰值高度<0.1；

步骤三，设计光学基底系统，光学基底系统由前置的望远单元和后接成像单元组成。其中望远单元包括卡塞格林镜组和准直镜组，卡塞格林镜组用于形成一次像面，该处可安置消杂光光阑；成像单元为成像镜组，对平行光束进行汇聚成像，利用CCD探测器进行接收；在ZEMAX软件中利用操作数COMA和ASTI限制彗差和像散，令其目标为0；利用操作数SPHA监测球差，但其权重设为0，即该操作数并不直接参与优化；此外使用宏语言编写自定义操作数，由ZEMAX获得任意视场、波长处的点扩散函数能量集中度，并计算一定能量集中度值对应的环围半径r，环围半径越小，成像质量越好，则自定义操作数可以编写为：

其中，r₀为中心视场、中心波长处的环围半径，r_i和p_i分别为各个视场点、波长处环围半径和优化权重；在ZEMAX中调用该自定义操作数对光学基底系统进行优化，使得不同视场、波长处的环围半径相似且尽量小，以提高成像质量；

步骤四，将光瞳调制器放置在所述光学基底系统中的光瞳或光瞳中间像位置处，以一定的步长前后微调像面位置，相当于不断改变系统的离焦量，直到各视场点的PSF形状圆整且接近一致，同时各视场点的PSF满足中心主瓣宽度小于衍射极限主瓣宽度d，任意旁瓣相对中心主瓣峰值高度<0.1；

步骤五，如微调像面后PSF仍无法满足中心主瓣宽度小于衍射极限主瓣宽度d，任意旁瓣相对中心主瓣峰值高度<0.1，则重复步骤三，并适当提高自定义操作数中能量集中度的取值，再进行步骤四，直到PSF满足要求。

Images