CN105005152A - 一种宽谱段衍射光学成像*** - Google Patents

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Abstract

一种宽谱段衍射光学成像***，包括：光学模块、探测器模块和图像复原模块；光学模块包括谐衍射光学元件和波前编码元件；光线经过谐衍射光学元件会聚成像，波前编码元件对会聚光线进行像差调制；探测器模块接收调制后的光线进行光电转换，得到图像；图像复原模块结合波前编码元件对会聚光线的调制信息，对探测器模块输出的图像进行处理，去除波前编码元件对会聚光线的调制作用并消除像差，获得图像。本发明以谐衍射光学元件作为光学***主镜，利用谐衍射光学元件自身消色差的特点以及波前编码技术的像差校正特点，具有较宽的光谱带宽，降低***复杂度及公差约束，使衍射光学成像***更易实现。

Description

一种宽谱段衍射光学成像***
技术领域
本发明涉及一种光学成像***，特别涉及一种宽谱段衍射光学成像***。
背景技术
衍射光学元件由于具有较大色散特性，通常在传统光学***中作为消色差、消热差元件。而由于衍射光学元件具有平面形、可以薄膜为基底的特点，以其作为光学***主镜，非常易于实现超大口径光学***，在超大口径光学成像领域有重要应用前景。
衍射光学成像技术，利用衍射光学元件代替传统透镜或反射镜，作为光学成像***的主镜。衍射光学元件可以加工在平面基底上，一定程度上降低***重量，并且衍射光学元件色散特性与材料无关，可以采用低成本材料。衍射光学元件具有可复制的特点，可实现批量化生产，尤其在红外成像应用中，红外衍射光学成像***的公差更宽松，更易实现批量化。
要实现衍射光学成像技术实际应用，必须使其具备宽谱段成像能力。由于衍射光学元件固有色差大，以衍射光学元件作为光学***主镜，在宽波段内存在较大色差，必须进行色差校正才能实现衍射光学***宽波段成像。衍射光学***色差校正存在两个问题，一是采用传统透镜不足以消除衍射光学元件产生的巨大色差；二是采用经典Schupmann色差校正方法，即利用具有相反相位的另一个衍射光学元件校正***色差，***中两个衍射光学元件需严格对准，这种方法虽然可以实现宽谱段成像，但是存在***过长、公差严格等缺陷，实现难度巨大，应用受限。目前国外基于Schupmann方法已实现50nm光谱带宽，仍无法满足成像需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种宽谱段衍射光学成像***，以谐衍射光学元件作为光学***主镜，充分利用谐衍射光学元件自身消色差的特点以及波前编码技术的像差校正特点，具有较宽的光谱带宽，降低***复杂度及公差约束，使衍射光学成像***更易实现。
本发明所采用的技术方案是：
一种宽谱段衍射光学成像***，包括：光学模块、探测器模块和图像复原模块；光学模块包括谐衍射光学元件和波前编码元件，波前编码元件放置在谐衍射光学元件与探测器模块之间；光线经过谐衍射光学元件会聚成像，波前编码元件对会聚光线进行像差、色差调制；探测器模块接收调制后的光线进行光电转换，获得调制后的图像；图像复原模块对探测器模块输出的调制后的图像进行解调，消除像差，获得最终图像。
所述谐衍射光学元件的相位调制函数为其中，r为谐衍射光学元件的半径，λ0为谐衍射光学元件的设计波长，f0为设计波长λ0时谐衍射光学元件的焦距。
所述图像复原模块的复原函数为其中，f1为宽谱段衍射光学成像***的实测点扩散函数，f2为宽谱段衍射光学成像***的理论点扩散函数，所述a的取值范围为[0，60]。
所述波前编码元件形式为透射式或反射式。
所述波前编码元件的材料为光学玻璃。
所述谐衍射光学元件的材料为有机薄膜材料或光学玻璃。
所述光学模块的前端入射光线的光谱带宽大于200nm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明以衍射光学元件作为主镜，利用谐衍射光学元件自身消色差的特点消除衍射光学***的部分色差，降低色差校正难度，再利用波前编码元件对衍射光学***的像差进行调制，其中也包含对谐衍射光学元件剩余色差的调制，并通过图像复原消除该像差，获得良好色差校正效果，实现衍射光学成像***的宽谱段成像。
(2)本发明采用像差调制方法，利用光学模块中的波前编码元件及图像复原模块对衍射光学***像差进行调制与解调，进一步消除像差，而非传统的利用一系列光学元件实现像差校正；采用该方法，可以实现将部分硬件功能转化为软件实现，降低***硬件复杂度。
(3)本发明充分利用谐衍射光学元件具有平面形、可以薄膜为基底的特点，易于实现轻量化的超大口径光学***，当以薄膜为基底时，衍射光学元件易折叠，可以实现超大口径光学***小型化。
(4)本发明的图像复原模块的复原函数为宽谱段衍射光学成像***的修正点扩散函数，该修正点扩散函数为该修正点扩散函数修正了理论点扩散函数与实测点扩散函数的偏差以及实测点扩散函数的误差，采用该修正点扩散函数进行图像复原，可以获取更清晰的图像结果。
(5)本发明的光学成像***与现有的成像***相比，光学模块的前端入射光线的光谱带宽大于200nm，能够满足光学***对宽谱段成像的要求。
附图说明
图1为本发明宽谱段衍射光学成像***组成示意图；
图2为传统衍射光学元件色散特性与波长关系示意图；
图3为谐衍射光学元件色散特性与波长关系示意图；
图4为本发明实施例中光学模块及探测器模块示意图。
具体实施方式
本发明提出一种宽谱段衍射光学成像***，如图1所示，包括：光学模块、探测器模块和图像复原模块；光学模块包括谐衍射光学元件和波前编码元件，波前编码元件放置在谐衍射光学元件与探测器模块之间；光线经过谐衍射光学元件会聚成像，波前编码元件对会聚光线进行像差调制；探测器模块接收调制后的光线进行光电转换，获得调制后的图像；图像复原模块对探测器模块输出的调制后的图像进行解调，可以消除像差，获得宽谱段清晰图像。
所述谐衍射光学元件为宽谱段衍射光学成像***的主镜，谐衍射光学元件的相位调制函数为其中，r为谐衍射光学元件的半径，λ0为谐衍射光学元件的设计波长，f0为设计波长λ0时谐衍射光学元件的焦距。谐衍射光学元件的材料为有机薄膜材料或光学玻璃。波前编码元件形式为透射式或反射式，材料为光学玻璃。
图像复原模块中采用的复原函数为宽谱段衍射光学成像***的修正点扩散函数。本发明宽谱段衍射光学成像***的修正点扩散函数其中，f1为宽谱段衍射光学成像***的实测点扩散函数，f2为宽谱段衍射光学成像***的理论点扩散函数，根据谐衍射光学元件、波前编码元件的构型、材料的光学特性和探测器模块的像素尺寸计算得到，a取值范围为[0，60]。所述光学模块的前端入射光线的光谱带宽大于200nm。
如图2所示，传统衍射光学元件色散较大，不同波长的焦距可表示为对于宽谱段内不同波长，焦距变化很大，难以进行色差校正；如图3所示的谐衍射光学元件，其特点是相邻环带之间的光程差是设计波长的整数p倍(p≥2)，且整数p称为谐衍射级数，其不同波长的焦距可表示为m为正整数，令则fm＝f0，即对于满足的一系列离散波长，谐衍射光学元件的焦距值相同，谐衍射光学元件具备一定自身消色差能力。因此，对于谐衍射光学元件，只需对满足的一系列离散波长之间的较窄谱段进行校正即可，相比于传统衍射光学元件，色差校正难度大幅降低。
本发明的一个实施例，如图4所示，光学成像***由两个元件组成，结构简单。宽谱段衍射光学成像***的主镜采用谐衍射光学元件，谐衍射级数p＝10，工作的光谱带宽为8μm～12μm，材料采用锗玻璃。采用透射式波前编码元件，置于谐衍射光学元件和探测器模块之间，材料采用锗玻璃。
在本实施例中，图像复原模块中采用的复原函数为宽谱段衍射光学成像***的修正点扩散函数a取值为1，修正点扩散函数最终表示为其中，f1为宽谱段衍射光学成像***的实测点扩散函数，f2为宽谱段衍射光学成像***的理论点扩散函数。利用具有该复原函数形式的图像复原模块，对探测器模块输出的红外图像进行处理，能够得到清晰的红外图像结果，满足实际应用。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种宽谱段衍射光学成像***，其特征在于，包括：光学模块、探测器模块和图像复原模块；光学模块包括谐衍射光学元件和波前编码元件，波前编码元件放置在谐衍射光学元件与探测器模块之间；光线经过谐衍射光学元件会聚成像，波前编码元件对会聚光线进行像差、色差调制；探测器模块接收调制后的光线进行光电转换，获得调制后的图像；图像复原模块对探测器模块输出的调制后的图像进行解调，消除像差，获得最终图像。
2.根据权利要求1所述的一种宽谱段衍射光学成像***，其特征在于：所述谐衍射光学元件的相位调制函数为其中，r为谐衍射光学元件的半径，λ0为谐衍射光学元件的设计波长，f0为设计波长λ0时谐衍射光学元件的焦距。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽谱段衍射光学成像***，其特征在于：所述图像复原模块的复原函数为其中，f1为宽谱段衍射光学成像***的实测点扩散函数，f2为宽谱段衍射光学成像***的理论点扩散函数，所述a的取值范围为[0， 60]。
4.根据权利要求3所述的一种宽谱段衍射光学成像***，其特征在于：所述波前编码元件形式为透射式或反射式。
5.根据权利要求4所述的一种宽谱段衍射光学成像***，其特征在于：所述波前编码元件的材料为光学玻璃。
6.根据权利要求1或2所述的一种宽谱段衍射光学成像***，其特征在于：所述谐衍射光学元件的材料为有机薄膜材料或光学玻璃。
7.根据权利要求1或2所述的一种宽谱段衍射光学成像***，其特征在于：所述光学模块的前端入射光线的光谱带宽大于200nm。
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