[发明专利]较大视场强容差超分辨望远成像系统设计方法

说明书

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。

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：