[发明专利]光瞳滤波远场超分辨成像系统及光瞳滤波器设计方法

说明书

光瞳滤波远场超分辨成像系统及光瞳滤波器设计方法，属于超分辨成像技术领域，为了解决现有的视场光阑扫描的远场超分辨成像系统中，严重影响最终的超分辨成像质量的问题，该系统沿光线入射方向依次设置为：前端光学物镜、视场光阑、准直镜组、光瞳滤波器、成像镜头和CCD探测器，前端光学物镜用于将远处场景成像在系统中间像面处，视场光阑放置在前端光学物镜的后焦面即整个系统中间像面处，准直镜组的前焦点在系统中间像面处，光瞳滤波器放置在前端光学物镜和准直镜组组合的系统的后端出瞳位置，且光瞳滤波器有效口径位置和尺寸与出瞳面重合，成像镜头将通过光瞳滤波器的光线进行二次成像，CCD探测器靶面与所述二次成像平面重合。

技术领域

本发明属于超分辨成像技术领域，具体涉及到一种光瞳滤波远场超分辨成像系统及光瞳滤波器设计方法。

背景技术

衍射效应是光波的一种基本属性，因此传统光学系统的分辨率受限于系统数值孔径NA和工作波长λ。如何突破光学衍射极限，获得超分辨率，从而获取到更微小的物方场景细节是光学界不变的追求之一。目前在系统光瞳处放置波前调制模块，即光瞳滤波，被认为是很有希望实现远场超分辨的一种技术。

中国专利申请号为：“201610517791.4”，专利名称为“一种宽带远场超分辨成像装置”。其技术方案为：一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：该成像装置自左向右沿光线入射方向依次包括：物镜模块、视场光阑、中继成像模块、波前调制模块和CCD探测器，波前调制模块用于调制光场相位振幅，所述的波前调制模块放置于物镜模块和中继成像模块组合系统的后端出瞳面位置，波前调制模块的有效口径位置和尺寸与出瞳面重合；其中：所述的波前调制模块包括下述之一：0/π二元位相波前调制模块、0～2π连续位相波前调制模块、0/1振幅波前调制模块，0～1连续振幅波前调制模块，或者是任一位相调制模块与任一振幅调制模块的组合。

且该技术中，将所述的视场光阑放置在中心位置，光阑尺寸缩小到衍射极限焦斑大小，在所述CCD探测器位置加入与所述视场光阑共轭的透光小孔，小孔大小为超分辨中心焦斑尺寸大小，通过移动样品或者移动整个光学成像系统，可实现共聚焦扫描模式的超分辨成像。

在该专利的技术方案中，视场光阑用来进行视场选择，通过扫描视场光阑的方法可实现大视场成像。然而视场光阑本身属于微米级小孔，成像光线在通过小孔时也会发生衍射，且光阑直径越小，衍射效应越明显，将造成点扩散函数中心焦斑主瓣展宽，旁瓣能量上升，严重影响最终CCD探测器处的超分辨成像质量。

发明内容

本发明为了解决现有的视场光阑扫描的远场超分辨成像系统中，视场光阑产生衍射效应，使得点扩散函数中心焦斑主瓣展宽，旁瓣能量上升，严重影响最终的超分辨成像质量的问题，提出一种光瞳滤波远场超分辨成像系统及光瞳滤波器设计方法。

本发明采用的技术方案为：

光瞳滤波远场超分辨成像系统，该系统沿光线入射方向依次设置为：前端光学物镜、视场光阑、准直镜组、光瞳滤波器、成像镜头和CCD探测器，所述前端光学物镜用于将远处场景成像在系统中间像面处，所述视场光阑放置在前端光学物镜的后焦面即整个系统中间像面处，所述准直镜组的前焦点在系统中间像面处，所述光瞳滤波器放置在前端光学物镜和准直镜组组合的系统的后端出瞳位置，且光瞳滤波器有效口径位置和尺寸与出瞳面重合，所述成像镜头将通过光瞳滤波器的光线进行二次成像，所述CCD探测器靶面与所述二次成像平面重合。

光瞳滤波器的设计方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

步骤1、利用常见的全局优化算法设计光瞳滤波器初始结构，光瞳滤波器为纯振幅型、纯位相型或复振幅型，光瞳滤波器的调制函数满足当工作波长的平行光束通过此光瞳滤波器后，焦平面处形成的点扩散函数主瓣宽度小于系统衍射极限艾里斑主瓣宽度，此时光瞳滤波器初始结构的波前调制函数表示为：

P'(ρ,θ)＝W(ρ,θ)e^i·t(ρ,θ) (一)