[发明专利]一种反射式同时偏振超分辨率成像系统及设计方法

权利要求书

1.反射式同时偏振超分辨率成像系统中整体光学系统的设计方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

令整体光学系统入瞳大小为2A，DMD(5)长和宽分别为l₁和w₁，整体光学系统像面长和宽分别为l₂和w₂，中继反射系统放大倍率为β，β为l₂/l₁和w₂/w₁中的较小值；

将整体光学系统中需要进行设计的光路分为两部分，第一部分为分孔径望远反射物镜，第二部分为中继反射系统；

步骤1、首先设计第一部分，令系统横向长度为d，从单孔径同轴反射镜开始，将孔径光阑设置在距同轴反射镜距离d处，全局坐标原点设置在孔径光阑中心，设yoz平面与纸面方向平行，x轴垂直于yoz平面，x轴正方向垂直于纸面向外，x、y、z轴符合右手定则，z轴穿过孔径光阑中心；改变该同轴反射镜孔径离轴量，直到一次像面与入射光线不相互干涉，将面形设置为自由曲面面形，对面形进行优化，直至像质良好，至此完成了单孔径的望远反射物镜设计；

步骤2、接下来进行各子孔径反射镜的设计；以第一子孔径反射镜(1)为例，首先令上述单孔径的望远反射物镜在+y方向上进行孔径偏心，偏心量增大步长为0.01A，每偏心一次进行一次像质优化，优化变量为第一子孔径反射镜1的面形参数，直到达到偏心量2A；使用同样的方法，令其在+x方向上每次偏心量增加量为0.01A并进行优化，直到达到偏心量2A，至此完成了第一子孔径反射镜1的设计；按同样的方法设计第二子孔径反射镜2、第三子孔径反射镜3和第四子孔径反射镜4；其中，第二子孔径反射镜(2)的x偏心方向与第一子孔径反射镜(1)相反，大小相同；其y偏心方向与第一子孔径反射镜1相同，大小相同；第三子孔径反射镜(3)在上述单孔径的望远反射物镜基础上，在+x方向上进行孔径偏心，偏心量增大步长为0.01A，每偏心一次进行一次像质优化，优化变量为第三子孔径反射镜(3)的面形参数，直到达到偏心量2A；第四子孔径反射镜(4)的x偏心方向与第三子孔径反射镜(3)相反，大小相同；

步骤3、继续设计第二部分，中继反射系统，首先建立中继反射系统初始结构，由两片反射镜组成，分别为第一反射镜(6)和第二反射镜(7)；物距为有限远，第一反射镜(6)和第二反射镜(7)均以同轴反射面为初始结构，控制第一反射镜(6)和第二反射镜(7)分别绕x轴旋转一定角度，直到中继反射系统中不存在挡光现象；将第一反射镜(6)与第二反射镜(7)的面形设置为自由曲面面形，对中继反射系统各反射镜面形进行优化，直到像质良好，优化中控制放大倍率为β；至此完成中继反射系统设计；

步骤4、最后将望远反射物镜、DMD(5)和中继反射系统拼接在一起并进行整体优化，由于望远反射物镜和中继反射系统是分开设计的，直接拼接后像质优化起点必然较差，甚至产生光线错乱，因此考虑利用两步优化法；第一步，首先将望远反射物镜的四个子孔径反射镜面形替换为近轴理想面，并将望远反射物镜的像面替换为DMD，利用MEMS面型来表示DMD的不连续表面，并模拟DMD(5)的像元大小、像元个数、光线偏转角度参数，接下来将中继反射系统连接在DMD(5)之后，DMD(5)为中继反射系统的物面，之后对系统进行优化，优化变量为第一反射镜(6)与第二反射镜(7)的面形参数，直到得到较好像质；第二步，将望远反射物镜的四个子孔径反射镜面形从理想面替换为步骤3中得到的各子孔径反射镜面形结果，对像质再次优化；在优化中，对各子孔径主光线在DMD(5)处的落点加以控制，使得望远反射物镜的4个子孔径反射镜分别成像在DMD(5)等大的四个区域上；四幅图像排列紧密，图像之间不能存在缝隙，以最大化利用DMD(5)的微镜阵列；优化参数为望远反射物镜和中继反射系统中各反射镜的面形参数，直到得到较好像质，至此完成宽波段同时偏振超分辨率成像光学系统设计。