折衍混合太赫兹成像系统关键技术基础研究

Terahertz (THz) wave has the properties of both micro-wave and light wave, which has the advantages of high time and spatial resolution, high penetrability, wide field search range, and small energy carrying, et. al. It has become one of leading research hotspots in the field of information technology. At present, THz imaging technology and its system still have great defects in system structure and imaging performance. Diffractive optical elements, known for many special imaging characteristics, have unique advantages of improving and optimizing the imaging performance and structure in modern imaging systems compared with traditional lenses. However, the research on THz diffractive optical elements and refractive-diffractive hybrid THz imaging system is still in its infancy. This project aims to explore the techniques and system realization of refractive-diffractive hybrid THz imaging system, by investigating the radiation, transmission and diffraction characteristics of THz wave. The main contents are as follows: (1) study the physical model, imaging characteristic and aberration theory of diffractive optical elements on different substrates in THz band; (2) explore the optimal design method, manufacturing and assembling methods and their tolerance control basis of THz band diffractive optical elements coated with antireflection films; (3) develop the imaging theoretical model and image quality evaluation method of the refractive-diffractive hybrid THz imaging system. The research results will be developed for the development of advanced THz imaging technology to achieve a hybrid THz imaging system, providing effective theoretical guidance and technical support for practical applications.

太赫兹波兼具微波和光波特性，具有高时间和空间分辨率、高穿透性、宽视场搜索范围、小能量携带等优点，是当前信息技术领域的前沿研究热点之一。目前太赫兹成像技术及系统在成像性能、系统结构等方面仍有很大缺陷。相较于传统光学元件，衍射光学元件因其众多特殊成像特性，在现代成像系统结构的改善和优化过程中具有独特的优势。然而，关于太赫兹波段衍射光学元件技术和折衍混合成像系统的相关研究尚属起步阶段。本项目旨在通过对太赫兹波辐射、传输以及衍射特性的研究，探索折衍混合太赫兹成像技术及系统实现。主要研究内容包括：①太赫兹波段不同基底面型衍射光学元件的物理模型、成像特性和像差理论；②镀有增透膜的太赫兹波段衍射元件优化设计方法，加工、装调方法和误差控制依据；③折衍混合太赫兹成像系统的成像理论模型和像质评价方法。研究成果将为发展先进太赫兹成像技术，实现折衍混合太赫兹成像系统，提供有效的理论指导和面向实际应用的技术支持

衍射元件具有独特的色散特性和温度特性使其与传统的折射光学系统构成的新型折衍射混合成像光学系统，不仅能够提高传统成像光学系统的成像质量，还能够减轻系统重量，缩小系统体积，更能够避免一些稀有光学材料的使用，在现代军事、商业等众多领域中得到了广泛的应用。特别是，集成衍射元件的混合成像系统具有传统光学系统无可比拟的优势。然而，对于衍射元件的设计和应用方面仍存在很多问题，解决相关问题能够为衍射光学理论及工程应用有重要意义。本项目研究了衍射元件设计和应用相关问题，研究内容包括：镀有增透膜的多衍射元件优化设计、斜入射和宽温度范围下衍射元件优化设计、基于曲面基底多层衍射元件优化设计、衍射元件装调、基于机器学习的飞行视觉显示系统设计和基于计算成像的混合成像光学系统设计，从理论研究、模型建立和仿真、光学系统设计、实验测试等方面完成了项目申请书中相关内容。项目工作的主要内容及意义如下：①发现光学增透膜对衍射元件衍射效率影响的问题，提出了优化设计方法，完善了衍射元件的设计；②给出能够满足大入射角、宽温度范围高衍射效率衍射元件设计方法，可应用于此类折衍混合成像光学系统设计中和像质评价中；③提出了基于自由曲面基底多层衍射元件优化设计方法，实现了多层衍射元件的严格设计和衍射效率的准确分析；④提出了多层衍射元件装调误差控制问题，能够实现高衍射效率多层衍射元件装配；⑤提出了基于机器学习的飞行视觉显示系统设计方法，简化了自由曲面光学系统的设计和研制，降低设计难度和人为经验依赖性，减少人工参与，实现高精度、高效率、高通用性系统的研制；⑥将深度感知技术应用于深度信息获取，设计了一套混合式成像光学系统，可以使无人机拥有获取深度信息的能力，使其能够在地形复杂、GPS信号弱的地方仍然能够准确避障与导航；⑦将计算成像技术应用于折衍混合成像光学系统设计中，解决了衍射效率降低造成的此类光学系统像质下降的问题，提高系统成像质量。