一种用于光学超分辨成像的可编程相位型光瞳滤波器

摘要

本发明涉及一种用于光学超分辨成像的可编程相位型光瞳滤波器，采用自适应光学系统中的波前校正器，利用其可以快速改变波前相位的特点，通过软件控制波前校正器产生所需的光瞳滤波器位相结构，并将其置于成像光学系统瞳面上实现超分辨成像。波前校正器产生的光瞳滤波器位相由波前传感器进行测量，测量结果输入计算机与设定的滤波器位相结构做对比，根据对比结果进一步修正波前校正器，重复这一过程，实现对光瞳滤波器位相结构的闭环拟合。滤波器位相结构可以通过编程任意改变，具有结构灵活多样、实现简单快速、成本低廉等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光学超分辨成像的可编程相位型光瞳滤波器，采用自适应光学 系统中的波前校正器，通过软件控制波前校正器产生所需的光瞳滤波器位相结构，并将 其置于成像光学系统瞳面上实现超分辨成像。滤波器位相结构可以通过编程任意改变， 具有结构灵活多样、实现简单快速、成本低廉等优点。

背景技术

分辨率是成像光学系统最重要的性能参数。1952年，Toraldo[G.Toraldo di Francia， Nuovo Cimento Suppl.9，426(1952).]将超分辨天线的概念引入光学领域，首次提出光 瞳超分辨成像的概念，他指出在系统的出瞳处加一块超分辨光瞳滤波器，可以在花费较 小、对系统不做较大改动的条件下，有效地提高系统的空间分辨率。光瞳滤波器以其对 光波波前改变的不同方式，主要分为振幅型滤波器[C.J.R.Sheppard，Z.S.Hegedus.Axial  behavior of pupil plane filters[J].J.Opt.Soc.Am.A，1998，5(5)]、相位型滤波器[Wang Wei， Zhou Changhe，Yu Junjie.Transverse superresolution and extended axial focal depth  realized by three-zone annular phase pupil filter[J].Acta Physica Sinica，2011]，以及振幅 和相位均可改变的复振幅型滤波器[云茂金，刘立人，孙建峰等，复振幅光瞳滤波器的三 维超分辨性能研究[J].光学学报，2005，25]。

振幅型光瞳滤波器具有结构简单，制作方便，容错性好等优点，比较容易在光学系 统中实现，然而其能量利用率较低的缺点，大大限制了这类滤波器在成像系统中的应用。 相比之下，相位型和复振幅型滤波器具有能量利用率高、应用灵活等诸多优点，但制作 比较困难。

目前，相位型光瞳滤波器主要利用衍射光学技术来制作。首先采用标准的二元光学 加工工艺制作出光瞳滤波器掩模板，然后利用光刻技术经曝光与显影两个步骤将掩模板 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，基底材料一般为光学玻璃。随着二元光学制造技术的发展和日趋成熟，相位型光 瞳滤波器的制作变得比较简单。但是，采用二元光学技术加工的光瞳滤波器一旦制作成 型，超分辨性能随即确定，如果需要尝试不同的超分辨效果，则需制作不同的光瞳滤波 器，实现周期长、费用高。另外，由于光瞳滤波器不可避免的存在加工和装调误差，从 而降低超分辨的效果，这时难以通过修改滤波器结构进行优化补偿。

与上述研究不同，本发明提出采用自适应光学系统中的波前校正器，利用其可以快速 改变波前相位的特点，通过软件控制波前校正器产生所需的光瞳滤波器位相结构，并将其 置于成像光学系统瞳面上实现超分辨成像。滤波器位相结构可以通过编程任意改变，具有结 构灵活多样、实现简单快速、成本低廉等优点。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种用于光学超分辨成像的可编程相位型光瞳滤波 器，采用自适应光学系统中的波前校正器，通过计算机控制波前校正器产生所需的光瞳 滤波器位相结构，并将其置于成像光学系统瞳面上实现超分辨成像。

本发明的技术方案是：一种用于光学超分辨成像的可编程相位型光瞳滤波器，采用 自适应光学系统中的波前校正器，通过计算机控制波前校正器产生所需的光瞳滤波器位 相结构，并将其置于成像光学系统瞳面上实现超分辨成像。波前校正器产生的光瞳滤波 器位相由波前传感器进行测量，测量结果输入计算机与设定的滤波器位相结构进行对 比，根据对比结果进一步修正波前校正器，重复这一过程，实现对光瞳滤波器位相结构 的闭环拟合。

优选地，所述的波前校正器和波前传感器通过中继光学系统共轭放置，并与系统入 瞳共轭。

优选地，所述的波前校正器是从变形反射镜、液晶波前矫正器、微加工薄膜变形镜、 微机电变形镜、双压电陶瓷变形镜、液体变形镜中选择的。

优选地，所述的波前传感器是从基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器、基于微棱镜 阵列的哈特曼波前传感器、曲率波前传感器、角锥波前传感器中选择的。

本发明与现有技术相比，首次提出采用波前校正器实现位相型光瞳滤波器，通过计 算机控制波前校正器产生所需的光瞳滤波器位相结构，并将其置于成像光学系统瞳面上 实现超分辨成像。滤波器位相结构可以通过编程任意改变，具有结构灵活多样、实现简 单快速、成本低廉等优点。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明的一种应用示例图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优 点更加清楚。

为了清楚详细的阐述本发明的实现过程，下面将参照附图1对本发明的优选实施例 进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明不必要的细节和功能，以防止对本发明 的理解造成混淆。

图1为本发明的结构原理图。如图1所示，根据本发明的用于光学超分辨成像的可 编程相位型光瞳滤波器包括信标光源1、第一中继光学系统3、波前校正器4、第二中继 光学系统5、第一反射镜6，第二反射镜7、波前传感器8。波前校正器4通过第一中继 光学系统3与系统入瞳2光学共轭，波前校正器4通过第二中继光学系统5与波前传感 器8光学共轭。

信标光源1发出的平行光经第一中继光学系统3、波前校正器4、第二中继光学系 统5、第一反射镜后6，通过第二反射镜7到达波前传感器8，波前传感器8实时测量波 前校正器4的相位分布并将测量结果送至计算机9。计算机9根据测得的相位分布，并 与设定的滤波器位相结构进行对比，根据对比结果经计算机控制软件处理，得到波前校 正器的控制电压，经高压放大器10对所述控制电压进行放大后，驱动波前校正器4产 生相应变化，以闭环拟合需要的光瞳滤波器相位结构。光瞳滤波器的相位结构可以通过 软件任意设定。

波前校正器可从变形反射镜(Deformable reflective mirror)、液晶波前矫正器(Liquid  crystal wavefront corrector)、微加工薄膜变形镜(Micromachined membrane deformable  mirror)、微机电变形镜(Microelectromechanical(MEMS)deformable mirror)、双压电陶 瓷变形镜(Bimorph deformable mirror)、液体变形镜(Liquid deformable mirror)中选择。

波前传感器可从基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器(Hartmann wavefront sensor)、 基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器(参见中国发明专利ZL03126431.X)、曲率波前传 感器(Curvature wavefront sensor)、角锥波前传感器(Pyramid wavefront sensor)中选择。

图2是本发明的一种应用示例图。如图2所示，将用于光学超分辨成像的可编程相 位型光瞳滤波器置于主动照明反射式光学成像系统中，在完成光瞳滤波器相位结构拟合 后，照明光源3发出成像照明光，经第一分光镜5、成像物镜2后照明物体1，其后向 散射光经成像物镜2、第一分光镜5、第一中继光学系统6、波前校正器7、第二中继光 学系统8、第一反射镜9、第二分光镜10、第二反射镜12、透镜13成像到成像相机14 上，实现对物体1的超分辨成像。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱 离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发 明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。