一种基于波前编码技术消像差的光学成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学成像技术领域和光学探测系统，特别是一种基于波前编码技术消 像差的光学成像系统。
【背景技术】
[0002] 对于成像系统，为使光学系统具备低像差、高像质的特性以满足使用要求，光学系 统中除用于成像的透镜组外，还需增加多组透镜用于校正各类像差。常规的增加透镜组消 像差的方法，一方面增加了光学系统的重量、结构复杂度和加工装调难度、降低了光学系统 的稳定性，另一方面由于受光学成像系统性能、构型、使用环境等要求的限制，增加透镜组 校正像差的方法并不能适用于所有的光学系统形式，在应用中有其局限性。
[0003] 因此，既能有效消除光学系统的像差，又不增加过多的消像差透镜组，避免因透镜 组过多在工程研制和实际应用中引入新问题（如加工装调难度、体积重量、结构稳定度、环 境适应性等），且通用性好的光学系统消像差方法在光学成像系统的设计制造中有重要应 用需求。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术中光学系统消像差方法的不足，提供了 一种适用于透射式、折返透射组合式成像系统的消像差的、能够有效消除光学系统的色差、 场曲、视场畸变等像差，并能简化光学成像系统的结构和体积的基于波前编码技术消像差 的光学成像系统。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种基于波前编码技术消像差的光学成像系统，包括 前组透射式光学系统、后组透射式光学系统，波前编码元件、焦平面系统及图像复原系统， 其中
[0006] 波前编码元件置于前组透射式光学系统、后组透射式光学系统组成的光学系统的 光阑处或等效光阑处，焦平面系统置于前组透射式光学系统、后组透射式光学系统组成的 光学系统的焦面处；前组透射式光学系统接收外界射入的成像光线后发生透射，并送至波 前编码元件，波前编码元件对成像光线进行透射后，调制了成像光线的传输路径并送至后 组透射式光学系统，后组透射式光学系统对成像光线进行透射，然后送至焦平面系统，焦平 面系统将成像光线转换为电信号后送至图像复原系统，图像复原系统使用图像复原算法对 电信号对应的成像光线的传输路径进行解调并显示成像；所述的波前编码元件为圆形透 镜，一端形状为前组透射式光学系统、后组透射式光学系统组成的光学系统对应的光学传 递函数中像差被抑制时，光瞳处的波前分布形状。
[0007] 所述的图像复原系统使用的图像复原算法中的复原核为光学成像系统的修正点 扩散函数；所述的光学成像系统的修正点扩散函数/3 = 其中，匕为光学成像系统 的实测点扩散函数，&为光学成像系统的理论点扩散函数，a取值范围为[0,60]。
[0008] 所述的圆形透镜的材料为玻璃或树脂。
[0009] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0010] (1)本发明系统采用单片波前编码元件即可有效实现色差、场曲等像差的校正，与 现有技术相比，光学元件数量明显减少，减轻了光学成像系统的重量、降低光学成像系统的 装调难度，提高了环境适应性，在透射式、折返透射组合式光学成像系统应用中优势明显；
[0011] (2)本发明系统将图像处理算法应用到成像中，通过后期图像复原来消除波前编 码元件对成像光线的调制，获取无像差的清晰图像，与现有技术相比，通过应用图像处理算 法来代替传统透镜组的消像差功能，进一步降低了光学成像系统的成本、提高了系统可靠 性。
[0012] (3)本发明系统中波前编码元件的安装位置能够根据实际加工装调的难易程度， 在光阑或等效光阑两个位置中灵活选择其一，通用性强，灵活度高，降低了设计、加工装调 难度。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明一种基于波前编码技术消像差的光学成像系统结构图；
[0014] 图2为本发明系统应用前、后成像系统的色差对比；
[0015] 图3为本发明系统应用前、后成像系统的场曲一致性对比；
[0016] 图4为本发明系统应用前、后成像系统在离焦-lOOym、-50iim、0iim、50iim、 100iim时不同视场的点列图一致性对比（离焦、视场畸变像差对比）。
【具体实施方式】
[0017] 本发明提出一种基于波前编码技术消像差的光学成像系统，如图1所示包括前组 透射式光学系统1、后组透射式光学系统2、波前编码元件3、焦平面系统4和图像复原系统 5,其中，前组透射式光学系统1和后组透射式光学系统2为光学成像系统的初始结构，一般 存在较大像差，波前编码元件3置于前组透射式光学系统1、后组透射式光学系统2组成的 光学系统的光阑或等效光阑处（图1所示为光阑处），焦平面系统4置于前组透射式光学系 统1、后组透射式光学系统2组成的光学系统的焦面处，图像复原系统5可以开发成软件包 在计算机上运行，也可以将相应处理算法嵌入至焦平面系统4中，波前编码元件3和图像复 原系统5为本发明的消像差系统，用于消除初始光学成像系统（前组透射式光学系统1和 后组透射式光学系统2)的像差。
[0018] 外界入射的成像光线经前组透射式光学系统1接收并透射，送至波前编码元件3， 波前编码元件3对成像光线的传输路径进行调制后送至后组透射式光学系统2,后组透射 式光学系统2对成像光线进行透射后送至焦平面系统4,焦平面系统4将成像光信号转换为 电信号，记录并存储后送至图像复原系统5,图像复原系统5利用图像复原算法对电信号对 应的调制后的成像光线传输路径进行解调并显示，其中，波前编码元件3对成像光线传输 路径的调制作用由焦平面系统4记录并存储，调制作用表现为记录的电信号呈模糊图像， 图像复原系统5对电信号的解调作用表现为模糊图像还原为清晰图像，成像光线经系统后 最终生成像差校正后的、各视场像质均匀的清晰图像。
[0019] 本发明系统实施方案中，波前编码元件3为圆形透镜，一端面型等同于常规透镜 面型，另一端形状为前组透射式光学系统1、后组透射式光学系统2组成的光学系统对应的 光学传递函数中像差被抑制时光瞳处的波前分布形状；
[0020] 本发明系统实施方案中，图像复原算法中的复原核为成像系统的修正点扩散函 数，其中成像系统修正点扩散函数./3 = 其中，A为成像系统的实测点扩散函数，f2 为前组透射式光学系统1、后组透射式光学系统2、波前编码元件3和焦平面系统4的理论 点扩散函数，通过ZEMAX软件根据前组透射式光学系统1、后组透射式光学系统2、波前编 码元件3的构型、材料的光学特性和焦平面系统4的像素尺寸计算得到，a取值范围为[0， 60] 〇
[0021] 本发明系统实施方案中，前组透射式光学系统1中的透镜6和透镜7为常规成像 用透镜，表面可镀高增透膜，后组透射式光学系统2中的透镜8、负光焦度透镜9和正光焦度 透镜10为常规成像用透镜，与空气接触面可镀增透膜。
[0022] 下面结合实例对本发明一种基于波前编码技术消像差的光学成像系统进行详细 说明，如图2 (a)所示为本发明系统应用前光学成像系统的色差校正效果，如图2 (b)所示为 本发明系统应用后光学成像系统的色差校正效果，可以看出本发明系统能有效消除光学系 统的色差。
[0023] 如图3(a)所示为本发明系统应用前光学成像系统的场曲校正效果，如图3(b)所 示为本发明系统应用后光学成像系统的场曲校正效果，可以看出本发明系统能有效消除光 学系统的场曲。
[0024] 如图4(a)所示为本发明系统应用前光学成像系统在离焦-100ym、-50ym、0ym、 50ym、100ym时不同视场的点列图一致性、如图4(b)所不为本发明系统应用后光学成像 系统在离焦-100ym、-50tim、0tim、50tim、100ym时不同视场的点列图一致性，可以看出 本发明系统能有效改善光学成像系统的离焦像差和视场畸变，并提高各视场的成像一致 性。
[0025] 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。
【主权项】
1. 一种基于波前编码技术消像差的光学成像系统，其特征在于包括前组透射式光学系 统（1)、后组透射式光学系统（2)，波前编码元件（3)、焦平面系统（4)及图像复原系统（5)， 其中 波前编码元件（3)置于前组透射式光学系统（1)、后组透射式光学系统（2)组成的光学 系统的光阑处或者等效光阑处，焦平面系统（4)置于前组透射式光学系统（1)、后组透射式 光学系统（2)组成的光学系统的焦面处；前组透射式光学系统（1)接收外界射入的成像光 线后发生透射，并送至波前编码元件（3)，波前编码元件（3)对成像光线进行透射后，调制 了成像光线的传输路径并送至后组透射式光学系统（2)，后组透射式光学系统（2)对成像 光线进行透射，然后送至焦平面系统（4)，焦平面系统（4)将成像光线转换为电信号后送至 图像复原系统（5)，图像复原系统（5)使用图像复原算法对电信号对应的成像光线的传输 路径进行解调并显示成像；所述的波前编码元件（3)为圆形透镜，一端形状为前组透射式 光学系统（1)、后组透射式光学系统（2)组成的光学系统对应的光学传递函数中像差被抑 制时，光瞳处的波前分布形状。2. 根据权利要求1所述的一种基于波前编码技术消像差的光学成像系统，其特征在 于：所述的图像复原系统（5)使用的图像复原算法中的复原核为光学成像系统的修正点扩 散函数；所述的光学成像系统的修正点扩散函数./: ，其中，A为光学成像系统的 实测点扩散函数，&为光学成像系统的理论点扩散函数，a取值范围为[0,60]。3. 根据权利要求1所述的一种基于波前编码技术消像差的光学成像系统，其特征在 于：所述的圆形透镜材料为玻璃或树脂。
【专利摘要】一种基于波前编码技术消像差的光学成像系统，包括前组透射式光学系统(1)、后组透射式光学系统(2)，波前编码元件(3)、焦平面系统(4)及图像复原系统(5)；波前编码元件(3)置于前组透射式光学系统(1)、后组透射式光学系统(2)的光阑处，焦平面系统(4)置于前组透射式光学系统(1)、后组透射式光学系统(2)的焦面处，波前编码元件(3)为圆形透镜。本发明系统克服现有技术中光学系统消像差方法的不足，采用波前编码元件与图像复原算法，在有效消除光学成像系统的色差、场曲、视场畸变等像差的同时，简化了光学成像系统的结构和体积。
【IPC分类】G02B27/00
【公开号】CN105022165
【申请号】CN201510374721
【发明人】张秉隆, 李博, 胡斌, 阮宁娟, 苏云, 郭崇岭, 何宝琨
【申请人】北京空间机电研究所
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年6月30日