一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用于超分辨成像的，在原有光学系统的后端实现光束复振幅复 合调制的技术手段。特别适用于在不改变原光学系统的结构情况下，提升其分辨能力。
【背景技术】
[0002] 在光学成像波长一定的情况下，光学系统的理论分辨率与光学系统的孔径成反 比。受光学系统制造成本和其他设计因素的影响，光学系统的孔径无法无限制增大。光学 系统的分辨率可以用远场点扩散函数（PSF，PointSpreadFunction)的主瓣半径表示。根 据傅里叶光学的相关原理，光学系统的远场点扩散函数是系统瞳面函数的傅里叶变换，因 此，利用瞳面滤波器改变光学系统瞳面复振幅分布，进而实现改变系统远场点扩散函数，是 在有限口径光学系统内实现更高分辨率的一种有效方式。
[0003] 根据瞳面滤波器对光学系统调制对象的区别，瞳面滤波器分为瞳面振幅调制器、 瞳面相位调制器和瞳面复振幅调制器。在实际加工过程中，对复杂面型加工时存在加工难 度大，成品误差大的问题，而简单面型的瞳面滤波器则只能实现有限的调制效果。这是限制 瞳面滤波器广泛应用的重要原因。
[0004] 变形镜（DeformableMirror,DM)，又称波前校正器，由很多单元组合而成，每个单 元都有自己独立的控制器，在外加电压控制下，可以动态连续改造波面的面形，实现对波前 相位的动态调制。变形镜变形范围受到驱动器分布和驱动器行程的影响，其面型无法在短 距离内实现大幅度变化，所以对波前相位的调制局限于低空间频率范围。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于超分辨的光 束复振幅复合调制装置和方法，在探测波长一定，光学孔径一定的情况下提高光学系统分 辨率的手段。
[0006] 本发明的技术解决方案是：提出一种应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置， 其特征在于包括：前端光学系统、瞳面复振幅调制系统、转束平面反射镜、离轴抛物面反射 镜、第一球面反射镜、变形镜、第二球面反射镜、第三球面反射镜、成像透镜、成像CCD和数 据处理计算机；
[0007] 瞳面复振幅调制系统包括：瞳面振幅滤波器，瞳面相位滤波器和同轴双滤波片切 换架；
[0008] 前端光学系统对目标发出的光收集转折后沿光轴方向出射，瞳面复振幅调制系统 位于前端光学系统的出瞳位置，对前端光学系统出射光束进行复振幅调制，当光束通过瞳 面振幅滤波器时，光束口径内不同位置的光学透过率不同，实现对光束振幅的调制，当通过 瞳面相位滤波器时，光束口径内不同位置的光程不同，实现对光束相位的调制；接着光束 经平面反射镜、离轴抛物面反射镜和球面反射镜后到位于出瞳共辄面的变形镜处，变形镜 实现对光束的高阶相位调制，瞳面复振幅调制系统和变形镜联合对光束复振幅实现复合调 制，其中：瞳面复振幅调制系统能够实现瞳面复振幅的低阶调制，变形镜实现瞳面相位的高 阶调制，弥补瞳面复振幅调制系统调制空间频率不足的缺点；
[0009] 经调制后的光束再经第二球面反射镜、第三球面反射镜后由成像透镜汇聚于成像 CCD靶面之上，数据处理计算机针对CCD采集到的图像进行分析，修正变形镜的面形，实现 超分辨率成像。
[0010] 所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述瞳面振幅滤 波器和瞳面相位滤波器放置在同轴双滤波片切换架上。
[0011] 所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述同轴双滤波 片切换架的每个切换架上，同时加装多片调制函数不同的瞳面振幅滤波器和瞳面相位滤波 器；在不影响到其他光路的情况下，可以直接切换不同的瞳面振幅滤波器和瞳面相位滤波 器，以组合出不同的瞳面复振幅调制函数，适应不同的观测目标和环境噪声下超分辨率成 像的需求。
[0012] 所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：变形镜镜面初始 面形由选定的瞳面复振幅调制系统的调制函数，与超分辨所需的瞳面调制函数之间的差别 决定。
[0013] 所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述瞳面振幅调 制器的加工过程包括：根据所设计透过率不同区域按照光透过率从高到低的顺序依次排 序，首先对掩模板加涂最高透过率的遮光材料，其次对除最高透过率区域的其他区域加涂 次高透过率的遮光材料，直到完全不透光的遮光材料。
[0014] 所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：所述瞳面相位滤 波器的加工过程包括：首先制作出所需相位分布的掩模版，将透光区域和不透光区域分开， 然后利用光刻技术经曝光和显影两个步骤将掩模版图形转印到涂在基片表面的光刻胶上， 最后利用刻蚀技术将光刻胶形成的图形转印到基底上，只需要刻蚀一次，避免多次刻蚀产 生的掩模版对中误差。
[0015] 所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置，其特征在于：前端光学系统可 以是望远镜系统，也可以是显微镜系统，还可以是普通成像镜头。
[0016] 所述的应用于超分辨的光束复振幅复合调制方法，其特征在于步骤如下：
[0017] (1)根据已有的目标和噪声的先验知识确定要实现超分辨率成像的瞳面调制性 能，制备瞳面振幅调制器和瞳面相位调制器；瞳面振幅调制器的加工过程包括：根据所设 计透过率不同区域按照光透过率从高到低的顺序依次排序，首先对掩模板加涂最高透过率 的遮光材料，其次对除最高透过率区域的其他区域加涂次高透过率的遮光材料，直到完全 不透光的遮光材料；所述瞳面相位滤波器的加工过程包括：首先制作出所需相位分布的掩 模版，将透光区域和不透光区域分开，然后利用光刻技术经曝光和显影两个步骤将掩模版 图形转印到涂在基片表面的光刻胶上，最后利用刻蚀技术将光刻胶形成的图形转印到基底 上，只需要刻蚀一次；
[0018] (2)针对已有的系统先验知识图像实际应用需求，确定适合的评价参数，或包含多 个评价参数的评价函数；评价参数包括最大旁瓣高度、均方误差、峰值信噪比；
[0019] (3)根据已测得的瞳面相位调制器的刻蚀缺陷，确定变形镜的初始面型；根据图 像实际应用需求，确定适合的评价参数，或包含多个评价参数的评价函数；
[0020] (4)数据处理计算机根据成像(XD观测目标的远场图像，计算每一帧远场图像的 评价函数，在此基础上用爬山法或SPGD收敛算法改变瞳面面型，实现闭环成像，最终获得 满足需求的超分辨图像。
[0021] 本发明与现有技术相比的优点是：
[0022] (1)本发明利用瞳面复振幅调制系统和变形镜对光学系统瞳面复振幅进行复合调 制，其调制具有调制空间频率尚、调制动态范围大等特点；
[0023] (2)本发明利用变形镜实现高空间频率的光束相位调制，避免了传统上使用的阶 梯型瞳面相位调制器在多次刻蚀加工过程中带来的加工误差和面型缺陷等缺点，同时使每 组瞳面复振幅调制系统能实现的调制范围增大，降低了系统成本；
[0024] (3)本发明根据对最终采集图像的具体需求，设置评价参数或评价函数，利用数 据处理计算机根据成像CCD观测到的目标远场图像计算其评价参数或评价函数，利用爬山 法、SPGD等收敛算法改变变形镜控制矩阵，实现动态优化图像；
[0025] (4)本发明不需要改变前端光学望远镜的主体结构，只需要在现有的天光学系统 的出瞳处加装瞳面复振幅复合调制装置。因此，特别适用于提升现有光学系统的分辨性能。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明装置的组成及原理示意图；
[0027] 图2为二元式瞳面振幅滤波器和三环式瞳面相位滤波器；
[0028] 图3为瞳面相位滤波器的加工过程；其中：a-掩模板b-曝光c-显影d-刻蚀；
[0029] 图4为测到的瞳面相位滤波器因刻蚀工艺造成的面型缺陷。
【具体实施方式】
[0030] 如图1所示，本发明应用于超分辨的光束复振幅复合调制装置的组成包括前端光 学系统1、瞳面复振幅调制系统2、变形镜6、成像透镜9、成像(XD10、数据处理计算机11和 若干反射镜，若干反射镜包括转束平面反射镜3、离轴抛物面反射镜4、第一球面反射镜5、 变形镜6、第二球面反射镜7、第三球面反射镜8。
[0031] 前端光学系统1对目标发出的光收集转折后沿光轴方向出射；瞳面复振幅调制系 统2位于前端光学系统1的出瞳位置，对其出射光束进行复振幅调制，其中：出射光束通过 瞳面振幅滤波器13时，不同位置的光学透过率不同，实现对光束振幅的调制，通过瞳面相 位滤波器14时，不同位置的光的光程不同，实现对光束相位的调制；
[0032] 经平面反射镜3、离轴抛物面反射镜4和第一球面反射镜5后到位于出瞳共辄面的 变形镜6处，变形镜6实现对光束的高阶相位调制，瞳面复振幅调制系统2和变形镜6联合 对光束复振幅实现复合调制，其中：瞳面复振幅调制系统2能够实现瞳面复振幅的低阶调 制，变形镜6实现瞳面相位的高阶调制，弥补瞳面复振幅调制系统2因刻蚀加工工艺造成的 面型缺陷，同时根据观测目标成像特点动态改变瞳面相位分布，实现瞳面复振幅的动态调 制。
[0033] 经调制后的光束再经第二球面反射镜7、第三球面反射镜8后由成像透镜9汇聚于 成像CCD10靶面之上，数据处理计算机11针对CCD10采集