[发明专利]一种宽谱段衍射光学成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学成像系统，特别涉及一种宽谱段衍射光学成像系统。

背景技术

衍射光学元件由于具有较大色散特性，通常在传统光学系统中作为消色差、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，以其作为光学系统主镜，非常易于实现超大口径光学系统，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，作为光学成像系统的主镜。衍射光学元件可以加工在平面基底上，一定程度上降低系统重量，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，红外衍射光学成像系统的公差更宽松，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系统主镜，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系统宽波段成像。衍射光学系统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系统色差，系统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，但是存在系统过长、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系统，以谐衍射光学元件作为光学系统主镜，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，降低系统复杂度及公差约束，使衍射光学成像系统更易实现。

本发明所采用的技术方案是：

一种宽谱段衍射光学成像系统，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系统的实测点扩散函数，f₂为宽谱段衍射光学成像系统的理论点扩散函数，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系统的部分色差，降低色差校正难度，再利用波前编码元件对衍射光学系统的像差进行调制，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，实现衍射光学成像系统的宽谱段成像。

(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系统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，降低系统硬件复杂度。

(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系统，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系统小型化。

(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系统的修正点扩散函数，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)本发明的光学成像系统与现有的成像系统相比，光学模块的前端入射光线的光谱带宽大于200nm，能够满足光学系统对宽谱段成像的要求。

附图说明