一种用于宽谱段高分辨成像器件的制作方法

1.本发明涉及一种用于宽谱段高分辨成像器件，可有效提升光学系统高频信息的获取能力，适应于宽谱段大视场成像。


背景技术：

2.光瞳滤波技术是超分辨成像技术中的核心分支。早在1952年，toraldo首次将有限视场超衍射极限分辨率的概念引入光学成像领域。由于物理孔径的客观尺寸限制，任何光学系统可看作是一个传递有限带宽空间频率信息的低通滤波器，光瞳滤波器通过改变光学系统中光瞳平面内光场的振幅或相位，在频域上调制光学系统的传递函数，实现空间域内对聚焦光场及成像性能的有效改善，这是光瞳滤波器的基本工作原理，。根据调制对象的不同，光瞳滤波器被分为纯振幅型、纯相位型和复振幅型。利用光瞳滤波可以实现多种调制效果，目前主要应用于超分辨成像中，压缩聚焦光斑主瓣，形成超分辨率聚焦衍射光斑，在共聚焦扫描显微成像中应用较多。另外，光瞳滤波还可以用于激光约束核聚变、微加工、高密度存储、扩展焦深的显微镜、荧光显微和视网膜成像等领域。
3.目前光瞳滤波器的研究大都集中在单色光照明的相干和部分相干成像系统，只关注了主斑压缩程度，尚未考虑传递函数的影响。关于纯相位型光瞳滤波器的研究最多，各种类型的相位型光瞳滤波器被设计和分析。先有技术是利用相位型光瞳滤波器实现超分辨。但是光瞳滤波实现的超分辨成像是一种点对点的成像，且伴随着旁瓣强度的增大，这与大视场超分辨成像的期望相违背。另外，相位型超分辨衍射元件是都采用二元光学工艺制成，对波长有极强的依赖特性，不适用于宽谱段成像系统。为解决这一技术难题，业内提出了基于小凹成像的技术理念，提出大视场、局部超分辨的成像系统。该系统通过对感兴趣的图像区域进行逐点扫描，并重建出局部的超分辨图像与大视场的低分辨图像融合，最终实现大视场、局部超分辨成像。但是这种方法成像效率低，牺牲时间分辨率来提高空间分辨率，因此应用也受到限制。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：提出了一种用于宽谱段高分辨成像器件，可实现宽谱段高频处对比度增强的效果，克服了常规光瞳滤波器无法用于大视场宽谱段成像局限性。
5.本发明的技术解决方案：一种用于宽谱段高分辨成像器件，所述成像器件采用光瞳滤波器，所述光瞳滤波器的结构形式为一个平行平板玻璃，基底材料为透射光学材料，放置在光学系统瞳面位置；所述平板玻璃的前后两面镀不同的膜层。
6.所述平板玻璃的口径大小和形状与光学系统的光瞳一致。
7.所述平行平板的前表面镀带通滤波膜。
8.所述前表面的带通滤波膜将该表面划分为若干的同心环带，以平板的几何中心为圆心，沿半径向外依次设置不同的透射环带，且各环带光谱宽度沿半径方向由内向外逐渐增宽；最外环为光学系统工作谱段的全谱段宽度，谱段增幅在十纳米量级。
9.各环带的透过率均大于93％。
10.各环带的透过率沿半径方向由内向外依次增大，呈现中心透过率低，边缘透过率高的离散化梯度分布。
11.各环带滤光膜之间的过渡区小于0.25mm；滤光膜的陡度小于28nm。
12.所述平行平板后表面镀有增透膜，保证工作光谱范围内，透过率大于95％。
13.所述平行平板前后两个表面的镀膜后，在膜层设计时，除了保证膜层光谱带宽和透过率要求外，还要对膜层总厚度进行约束，保证各环带膜层最大总光学厚度之差小于30nm。
14.所述工作光谱为紫外光、可见光或红外光。
15.本发明与现有技术相比的优点在于：
16.(1)本发明提供的一种谱段和振幅调控的环形滤波器，通过特殊膜层设计，实现对光瞳处不同环带光谱和透过率的调制，实现超分辨成像。环形光瞳滤波器是将该表面划分为若干的同心环带，各环带光谱宽度由内向外逐渐增宽，谱段增幅在几十纳米左右，具体根据超分辨特性要求进行设定。
17.(2)本发明提供的一种谱段和振幅调控的环形滤波器，可实现宽谱段且大视场高频处对比度增强的效果。克服了常规基于微纳加工工艺的光瞳滤波器仅适用于小视场和窄带谱段成像的局限性。该滤波器实现基于成熟的镀膜工作，不涉及相位变化，具有结构简单、易于制作，成本低廉，无需微纳加工工艺。该滤波器具有普适性，适应于不同谱段的超分辨成像。
附图说明
18.图1为本发明用于某一可见光光学系统结构示意图；
19.图2为本发明多环分区光瞳滤波器结构示意图；
20.图3为本发明滤波器的膜层特性示意图；
21.图4为本发明光瞳滤波器加入前后相机光学mtf对比示意图。
具体实施方式
22.依据阿贝成像理论，光学系统可以等效为一个光瞳面，对物光波的调制可以用广义光瞳函数来表示。光瞳滤波器通过改变光学系统中光瞳平面内光场的振幅或相位，在频域上调制光学系统的传递函数，实现空间域内对聚焦光场及成像性能的有效改善，这是光瞳滤波器的基本工作原理。
23.多环分区光瞳函数p一般表达式为：
[0024][0025]
环带数量n、环带半径σi、每个环带的谱段宽带和透过率作为调节量。
[0026]
本发明光瞳滤波器的结构形式是一个平行平板玻璃，基底材料可以是透射光学材
料，放置在光学系统瞳面位置实现超高分辨成像。
[0027]
所述平板玻璃的口径大小和形状与光学系统的光瞳(入瞳、孔径光阑、出瞳)一致；所述平板玻璃的前后两面镀不同的膜层。
[0028]
所述平行平板的前表面镀特殊的滤波膜，将该表面划分为若干的同心环带，以中心原点为圆心，沿半径向外依次设置不同的透射环带，且各环带带通谱段宽度沿半径方向由内向外逐渐增宽，且最外环为光学系统工作谱段的全谱段宽度；各环带的透过率，可以是均匀的，均大于93％，或者可以是沿半径方向由内向外可以依次增大，呈现中心透过率低，边缘透过率高的离散化梯度分布。各环带过渡区小于0.25mm；陡度小于28nm；所述环带谱段特性和振幅透过率特性，可以通过镀带通滤光膜工艺实现。
[0029]
所述平行平板的后表面镀增透膜，要求工作光谱范围内，透过率大于95％。
[0030]
另外，前后两个表面的膜层设计时，保证各环带最大总光学厚度之差小于30nm，减少引入的离散相位差对像质的影响
[0031]
所述工作光谱可以为紫外光、可见光或红外光。
[0032]
下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。
[0033]
以一个同轴三反的光学系统可见光光学系统为例，如图1所示。由主次三镜组成镜头的主要参数为口径：444mm；焦距：4600mm，视场：0.3
×
0.12
°
，设计平均传函0.176@119lp/mm(接近衍射极限)。在三镜后存在系统的实出瞳，口径大小为43mm，工作谱段0.45～0.7um。
[0034]
根据光学焦距、口径、谱段、出瞳大小等参数，设计的光瞳滤波器参数，如图2所示。光瞳滤波器采用融石英材料的平行平板，口径47mm，r0＝7.5mm，r1＝10.75mm，r2＝14mm。不同区域镀不同的带通膜。镀膜要求为a区:归一化0～r0圆域，发黑处理，无需镀膜；b区:归一化r0～r1圆域，带通滤光膜，带通谱段0.45～0.53um；c区:归一化r1～r2环域，带通滤光膜，带通谱段0.45～0.61um；d区：归一化r2～1环域，带通滤光膜，带通谱段0.45～0.7um；按照通光口径直径43mm归一化，归一化前r0＝7.5mm，r1＝10.75mm，r2＝14mm。
[0035]
特别的在镀膜设计和工艺上，进行了多种工艺改进研究，实现了各环带过渡区小于0.25mm；角漂小于5nm；同时，考虑到膜层在不同区域厚度差异带来的波前像差影响，在膜层设计阶段加入了光程的约束条件，将各环带最大光学厚度nd之差控制到15nm以下。膜层的光谱实测曲线见下图3。
[0036]
加入该光瞳滤波器后相机光学传函在高频段明显提升由调控前mtf在119线对/mm下的0.176，提升到0.21。可见该类型光瞳滤波对中高频空间频率具有显著提升作用，可以应用到空间相机中，实现小口径高分辨成像能力。
[0037]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。虽然结构附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术人员来说，不脱离发明的前提下，可以做若干变形、替换和改进，这些也是视为属于本发明的保护范围。