可缩放多尺度光学系统成像原理与实现方法

Based on the geometrical aberration and the diffraction theories, an innovative multiscale optical system with scalable feature is studied. A multiscale optical system incorporates multi-aperture lens array between the single-aperture fore objective lens and the focal plane. The multi-aperture lens array plays important roles of residual aberration correction and image relay. While the image plane area is scaled simply through uniformly scaling, the angular resolution of the multiscale optical system increases linearly with the scaling factor, and also diffraction limited performance is achieved. Compared with the traditional ways, multiscale otical system has revolutionary advantages in improving its space bandwidth product without paying the heavy penalties in weight, volume, and cost. And it is with the potentiality to satisfy the continuously improved imaging requirements of large field of view and high angular resolution. The scalable mechanism and aberration theory of the multiscale lens are studied. The number and the aperture size of the multi-aperture lens array are optimumly determined. A multiscale system is designed. Through computer simulation, the validity of the proposed principle and design methods are verified. Also, a simulation of 10X scaled system is also performed to further verify the scalable feature of the multiscale optical system. The researched multiscale system enables gigapixel high resolution and extraordinary large scale imaging with small sized focal plane array. The pioneering work has great significance in developing an innovative optical imaging system with compact configuration, low cost，extrodinary high angular resolution, and scalable space bandwidth product.

本课题基于几何像差和衍射理论，研究新型的具有可缩放特点的多尺度光学成像系统，在单孔径前置物镜和小尺寸焦平面探测器阵列中间，采用具有像差校正和中继成像作用的多孔径小透镜阵列。这类系统通过简单地放大尺寸来增大像面时，其角分辨率可随放大倍数线性增大，并在全视场内获得接近衍射极限的成像性能，可解决传统方法为提高空间带宽积，要以牺牲重量、体积和成本为巨大代价的困难，满足不断提高的大视场和高角分辨率成像要求。研究多尺度光学成像系统可缩放机理，并建立完善的像差理论。研究多孔径小透镜数量及其孔径尺寸的优化方法，并掌握多尺度系统的设计方法。优化设计并对设计系统及其放大10倍后的系统分别进行模拟仿真，验证原理的有效性。本课题研究的多尺度系统，可采用小规模的焦平面探测器阵列，获得千兆像素的高分辨率大规模成像，对于发展结构简单紧凑、成本低、分辨率极高和可均匀缩放的光学成像系统具有重要意义。

基于几何像差和衍射理论，研究的新型多尺度光学成像系统，确实具有空间带宽积性能可缩放的特点。本课题研究的多尺度光学成像系统，光学系统结构上主要由两部分构成，包括大视场单孔径前置成像物镜和多孔径微透镜成像阵列，单孔径前置物镜首先在一个曲面上形成中间像面，多孔径微透镜成像阵列以中间像面为物面、并将其分成多个很小的视场，每个小视场由一个微透镜通道对物进行精确校正像差和高性能成像。完成了多尺度系统初步的理论设计，理论研究表明：小尺寸孔径透镜产生更小的光学像差并具有更好的像差校正能力。当优化设计得到的微透镜阵列的单个通道的小孔径透镜尺寸满足像差校正要求时，加大系统视场并同时放大前置物镜孔径，设计表明在保持微透镜阵列的单孔径成像通道尺寸不变时，前置物镜视场可增大至100度，即多尺度系统在获得100度视场时仍可获得接近衍射极限的成像性能。 . 这种大视场高分辨率光学成像系统，是当前和未来的一个发展重点，克服采用传统方法要实现大视场和高分辨率光学成像要增大光学系统体积和增加系统重量的难题，可满足航空航天等遥感领域对光学成像系统视场和分辨率不断增大的要求。这类系统也特别适用于目前迅速发展的生物医疗和显微成像，结合高光谱成像技术中采用光栅分光的推扫型光谱成像技术，其应用可推广至航空航天、国防安全、显微生物、医疗成像等诸多领域，具体地，将多尺度光学成像系统作为前置物镜，采用与微透镜成像阵列单个成像通道相同的小视场、设计光栅型分光成像系统，无需推扫、可实现凝视式的大视场高光谱成像，获得多尺度高光谱成像系统，研究的新型光学系统在2014年北京光电子会议上进行了学术讨论并发表学术论文、同时申请国家发明专利授理2项。研究内容申请并获得2014年国家青年基金项目的资助，将对多尺度系统的高级像差理论进行精确计算，并展开该类系统实施方法和应用研究。