被动式关联成像光学系统的制作方法

本发明涉及关联成像又称为鬼成像，特别是一种被动式关联成像光学系统。

背景技术：

关联成像又被称为鬼成像，它是一种获取物体相关信息之后，通过关联计算方法进行图像复原的新成像技术。与传统成像方法相比，它能够在复杂及特殊环境下还原物体图像，在医学、军事、天文、遥感等领域有着广泛的应用前景。

在传统的光学成像系统中，成像系统受探测端有限视图的约束，而关联成像中的探测和成像可以分离，从而可实现非局域成像。起初的关联成像是基于量子光学理论的纠缠光子对或者赝热光源进行主动照明的研究方案，后来，研究人员发现采集被自然光照明的物体光信息，也可以通过关联计算的方式实现图像还原。并且，利用这种无光源的成像机理形成的关联图像具有单次曝光的功能，并且能够获得高光谱、三维图像。

目前关联成像根据是否使用光源进行主动照明分为主动式关联成像系统和被动式关联成像系统。最早的关联成像使用纠缠双光子作为光源，并且具有非定域成像，突破衍射极限等独特性质，受到人们的广泛关注。在近年来的发展中，人们打破了纠缠光源的限制，使用普遍存在和更容易获得的赝热光源，以及热光源作为关联成像的光源，并且在很大程度上与纠缠光源的特性类似，引起了社会的广泛关注。

由于关联成像能够在像散射介质、大气湍流这样传统方式难以成像的恶劣天气下进行成像，体现了其潜在强大的实用价值及广阔的前景。但是数据采集长、和信噪比低等缺点限制了关联成像的应用范围，尤其是热光源的关联成像更是如此。

最近，在提高关联成像的图像质量的研究成果中出现了很多优化方案。例如微分鬼成像等，虽然一定程度上提高了系统信噪比，不过也增加了采样时间和使计算更加复杂。具体来讲，主动式关联成像存在以下问题：

1、日光照明情况下成像的信噪比较差。在主动式关联成像系统中，使用纠缠量子光，赝热光和真热光来完成关联成像实验，通过发射系统用激光将被观测物体照亮，用接收系统接收回波信号。在白天工作时，由于背景辐射的影响，回波信号中参杂了日光中和激光波长相同的杂光，一定程度降低了成像信噪比。

2、主动关联成像系统无法获得高光谱图像。主动关联成像系统是采用激光主动照明，恢复的图像也是激光的单波长图像。对于很多特殊的应用场合，无法实现对指定波长敏感的材料的探测。限制了关联成像的应用领域。

3、主动关联成像的成像速率较慢。传统关联成像通过获取多帧图像的方式进行关联运算，提高关联成像的信噪比。一次成像需要采样两千到一万帧，在提高信噪比的同时，也限制了成像时间和成像速度。此外，为了获取物体的三维信息，采用时间切片技术对回波信号进行切片和计算，也需要获得一定采样数进行三维重建，进一步降低了成像时间。

由此,根据关联成像原理,研制新型光学系统,摆脱传统的主动照明关联成像方式,进而实现日光照明情况下的被动式关联成像.提高成像的信噪比,在获得三维图像和高光谱图像的前提下提高关联成像的成像速率，是相关研发工作者的重要任务,也是本发明的重要目的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种被动式关联成像光学系统，对物体光信息进行采集和调制，以解决传统关联成像系统需要激光主动照明的问题，提高在白天进行关联成像时的信噪比，大幅度地缩短关联成像的信息采集时间，可实现单次曝光的关联成像。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种被动式关联成像光学系统，其特点在于沿入射光线方向依次是同光轴的前置成像镜组的孔径光阑即入瞳、前组成像镜、分光片、后组成像镜、滤光片、前置成像实像面、场镜、相位板散斑调制器、干涉散斑场、中继二次成像镜组和ccd,所述的场镜的入射面位于所述的前置成像实像面,所述的场镜再将前置成像镜组的入瞳成像到所述的干涉散斑场，所述的中继二次成像镜组将所述的干涉散斑场放大并成像在所述的ccd的探测面上，所述的前置成像实像面与所述的相位板散斑调制器之间的距离视为物距d1，所述的相位板散斑调制器与所述的干涉散斑场之间的距离视为像像距d2，所述的相位板散斑调制器的散斑大小h2满足下列关系式：

h1/h2＝d1/d2

其中，h1为所述的前置成像实像面形成的艾里斑尺寸。

所述的中继二次成像镜组的倍率，保证一个散斑大小能够占ccd的两个像元。

所述的相位板散斑调制器与所述的干涉散斑场之间的距离d2的选择范围为0.5mm～2mm。

所述的场镜的入射面位于所述的前置成像实像面，所述的场镜再将前置成像镜组的入瞳成像到所述的干涉散斑场，所述的中继二次成像镜组将所述的干涉散斑场放大并在所述的ccd的探测面上成像。根据ccd采集到的数据，并且通过数据反演和计算恢复，可获得自然景物的高光谱图像和三维图像。

本发明的技术效果：

(一)入瞳大小的设计要满足空间分辨率要求。在入瞳处放置可变光阑，用于调整入瞳的变化范围，得到不同的成像效果。

(二)所述的前置成像镜组包括前组成像镜和后组成像镜，两组镜子共同承担和分配光焦度，有利于优化系统的各种像差，提高系统成像质量。前组成像镜靠近入瞳，后组成像镜靠近滤光片及实像面，前组成像镜是正光焦度，实现了一定的聚焦功能，后组成像镜也是正光焦度，进一步实现了聚焦功能。两组成像镜组合到一起，进行像差平衡，实现对无穷远成像。

(三)所述的分光片的功能是将不同谱段的光进行相应的光路转折，由于系统拟实现多光谱乃至高光谱成像，每一路光只能对一个相对较窄的谱段进行关联计算，其他的谱段需要通过分光片反射到其它位置，进行调制和成像。

(四)所述的滤光片的作用是进行杂光的滤除。将本光路的谱段之外的光进行光谱上的滤除，进一步提高高光谱成像的信噪比。前置成像系统对无穷远进行成像，成像到一次实像面，在此位置放置场镜。

(五)所述的场镜是将前置成像镜组的入瞳成像到指定位置处，并通过相位板散斑调制器的共同作用在所述的指定位置处形成干涉散斑场。在该干涉散斑场的每一点包含所有物点的能量信息。而一次实像面的每一点都在干涉散斑场处形成一个光斑，不同像点传播形成的光斑会在干涉散斑场进行重合。要求不同像点形成的光斑重合度达到90％以上，这就对场镜的设计提出了一定的像质要求，光瞳差越小，那么不同像点形成光斑的重合度就越高。

(六)所述的相位板散斑调制器的功能，是将实像面后传播的光进行匀化，进而形成干涉散斑场，再对散斑场的信息进行关联计算和解调可得到高光谱三维图像。随机相位板的位置d1设计也应按照前述规律进行设计。

(七)所述的中继二次成像镜组就是按照一定倍率将干涉散斑场成像到ccd上。在已知散斑大小的前提下，将散斑成像到ccd时，在一维尺寸上要保证1个散斑能占2个像素，根据这个关系反推出中继镜的放大倍率。设计中继镜时，物距应尽量小，紧贴干涉场，能够在数值孔径一定的情况下，减小中继镜的尺寸，缩小系统体积，以及降低中继镜设计难度。根据物象关系可以判断，前置成像镜的一次实像即是中继二次成像镜组的入瞳，二次实像即是中继二次成像镜组的孔径光阑。

总之，本发明具有在单次曝光下，获得高光谱、三维图像的优点。

附图说明

图1是本发明被动式关联成像光学系统的光路图

图2是本发明被动式关联成像光学系统的一次实像面局部放大图

图3是前置成像镜组的光路图

图4是前置成像镜组的散列图

图5是场镜光路图

图6是场镜的点列图

图7是相位板散斑调制器光路图

图8是中继二次成像镜组局部光路图

图9是中继二次成像镜组整体光路图

图10是中继二次成像镜组的散列图

图中：1-前组成像镜、2-分光片、3-后组成像镜、4-滤光片、5-一次实像面、6-场镜、7-相位板散斑调制器、8-干涉散斑场、9-中继二次成像镜组、10–ccd、11-孔径光阑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应对此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明被动式关联成像光学系统实施例的光路图。由图可见，本发明被动式关联成像光学系统包括前置成像镜组的孔径光阑11、前组成像镜1、分光片2、后组成像镜3、滤光片4、前置成像实像面5、场镜6、相位板散斑调制器7、干涉散斑场8、中继二次成像镜组9和ccd10。

图2是被动式关联成像光学系统的关键环节的放大示意图，图中显示了前置成像镜组、场镜、中继二次成像镜组的物像衔接关系，并且标明了相位板散斑调制器7的位置。首先，前置成像镜组将物体成像到一次实像面5。场镜6与一次实像面5基本重合，场镜6再将前置成像镜组的入瞳成像到指定位置干涉散斑场8。所述的相位板散斑调制器7位于一次实像面5和干涉散斑场8之间，相位板散斑调制器7具有散光和匀化作用，可以在指定位置8形成散斑场。按照关联成像原理，通过中继二次成像镜组9采集到散斑场信息之后，进行关联计算，可恢复出物体图像。所述的中继二次成像镜组9由多片透镜组成，本实例中由五片透镜组成，设计应考虑到光瞳不匹配的情况，保证无光线遮挡。并且按照相应数值孔径进行像质优化。将干涉散斑场8成像到ccd10上。

图3是前置成像镜组的光路图。前置成像镜组采用前组成像镜1和后组成像镜3两组集成的初始结构。两组之间插入分光片2，可以将不同光谱谱段的光反射到其余空间位置，这是由于每一路被动关联成像光学系统受到光谱分辨率的限制，只能对一个较窄谱段的光实现高光谱成像。为了扩展被动关联成像系统总的光谱范围，可以引入多块分光片2，将总的光谱谱段分成若干谱段分别进行关联成像。

前置成像镜组的设计，入瞳的大小需要满足分辨率的要求，入瞳的大小和分辨率的关系满足1.22λ/d。焦距的设计需要满足艾里斑和干涉场散斑的大小关系，这个关系具体将在介绍相位板调制器的时候进行详细说明。前置成像镜组中还包括滤光片4，用于滤除工作波段以外的杂光，进而提高系统的信噪比。

图4是前置成像镜组的像质，像质需要达到衍射极限。由于有分光片2的存在，系统中在子午和弧矢方向的光程不同，会带来像散像差。为了补偿像散像差，可以将分光片2设计成有楔角的楔板，用以补偿像散像差。

图5是场镜6的光路图。场镜6将前置成像系统的入瞳成像到8位置处，其作用是使不同像点发出的光斑重合在位置8处。l2即是像距。场镜的设计，同样要求优化像质，但并不需要达到衍射极限的程度，而是要保证不同像点形成光斑的重合度。

图6显示了不同像点在干涉散斑场形成的光斑情况，其中包括了0视场像点形成的光斑，0.5视场像点形成的光斑，最大视场像点形成的光斑。并且包括了不同视场光斑的重合情况，最后经过分析，不同视场的光斑重合度可以达到90％以上。

图7是相位板散斑调制器的工作光路图。相位板散斑调制器是一种类似于光栅的二元元件。用于将光场进行调制，在位置8处形成散斑场。相位板的位置设计是要满足一定的比例关系，具体来说，相位板到实像面的距离是d1，相位板到干涉场的距离是d2，d2的设定要根据系统光谱分辨率的要求来计算得到，d2值确定之后，那么散斑大小h2也随之确定。前置成像镜组在实像面5位置处形成的艾里斑尺寸是h1，这是由前置成像镜组的焦距和孔径决定的。设计相位板位置时，应满足h1/h2＝d1/d2的关系。在h1、h2、d2确定的情况下，根据这个关系式确定d1值。

此外，d2值不宜太大，绝对值应该在0.5～2mm之内，这是因为每一个像点在干涉场形成的光斑是部分相干光，只有在相位板较近的距离内，对应的相位板的局部光斑区域发出的光才有相干作用，形成干涉散斑。也就意味着相位板的极近场才有散斑场存在。

图8和图9是中继二次成像镜组的光路图。系统工作时，首先由相位板散斑调制器7在干涉散斑场8处形成了干涉散斑场，通过二次中继成像系统将干涉散斑场8成像到ccd10位置处。中继二次成像镜组的入瞳位置就是一次实像面5，入瞳大小就是一次实像面的大小。中继二次成像镜组的数值孔径就是散斑场的相应发散角。同时，由于中继二次成像镜的入瞳在前置实像面5处，并不在中继物镜处，因此要考虑到光瞳不匹配的情况，使中继二次成像镜的口径足够大，能够避免光束遮挡。优化时，需要保证成像像质达到衍射极限，这样像差的弥散斑才能不会对散斑的图样成像效果产生干扰。在本实例中，中继二次成像镜组采用了五片式的设计结构。在图10中能够看到，系统的散列图达到了衍射极限。

实验表明，本发明具有在单次曝光下，获得高光谱、三维图像的优点。