一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法。本发明专利技术首先利用逐点构建方法直接计算基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统的初始结构；再初步设计全息成像系统中所包含各自由波面调控全息元件的曝光系统；同时考虑全息成像系统的像质和衍射效率，对初步设计后的全息成像系统与曝光系统进行协同优化设计；最终得到具有高成像质量和高衍射效率的全息成像系统。本发明专利技术可以较好地完成基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计，为实际全息成像系统的设计提供了便利，且方便简便、适用性强。本发明专利技术可为制备高成像质量和高衍射效率的全息成像系统提供完备的设计方法和流程。息成像系统提供完备的设计方法和流程。息成像系统提供完备的设计方法和流程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法


[0001]本专利技术涉及光学设计
，具体涉及一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法。

技术介绍

[0002]成像系统可以将物体成像在图像传感器或者探测器上。显示系统可将位于像平面处的图像源所发出的光线成像至指定位置，以用于观察图像源所显示的光信息，其也可以被认为是一种成像系统。对于离轴反射式成像系统，其成像光学元件为离轴倾斜的反射式元件，系统结构不再是常规的旋转对称形式，即不存在公共的对称轴。这种系统结构可折叠光路、消除光线遮拦，使系统更加紧凑化，易于降低整体系统的体积和重量。可用于一些特定的应用领域，例如增强现实近眼显示、抬头平视显示等领域。但离轴反射式结构同时也会引入非对称的离轴像差，使像差的校正较为困难。
[0003]全息元件作为一种成像光学元件，可应用于成像系统设计，在一定程度上可取代传统的成像光学元件，例如透镜、反射镜等，并且在很多方面具备显著优势。全息元件特有的波长和角度选择性，作为光学组合器可获得良好的光学透视式观察效果；其轻薄特性可极大地降低整体系统的体积和重量；全息元件利用同一套曝光实验设备可进行重复制备，易于实现低成本、大批量的生产。
[0004]但传统的基于全息元件的离轴反射式成像系统，其全息元件仅由球面波或平面波制备而成，像差校正能力有限，无法对离轴非对称像差实现有效校正。且系统设计的自由度有限，系统成像质量差，衍射效率低，无法满足实际应用要求。

技术实现思路

[0005]为解决基于传统全息元件的离轴反射式成像系统的不足，本专利技术提供一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：
[0007]一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法，所述的成像系统包含若干自由波面调控全息元件和一个图像源，自由波面调控全息元件作为成像光学元件将图像源所发出的光线衍射至指定位置，以用于观察图像源所显示的光信息；
[0008]所述的自由波面调控全息元件是由自由光波面制备而成，其可克服传统全息元件有限的像差校正能力，可极大提升整个系统的成像质量和衍射效率；所述的自由光波面是指该光波面不是球面波也不是平面波；
[0009]该设计方法包括基于自由波面调控全息元件的成像系统的初始结构生成方法、基于自由波面调控全息元件的曝光系统的初始结构生成方法以及综合考虑成像质量和衍射效率，全息成像系统与曝光系统的协同优化设计方法；
[0010]该方法的步骤包括：
[0011]步骤1，根据成像系统的系统参数和结构要求，利用逐点构建方法直接计算出该成像系统的初始结构；系统参数包括成像视场角、成像光束口径、系统有效焦距等，结构要求为成像系统中各成像光学元件的相对位置关系；
[0012]步骤2，对步骤1中所得到的成像系统的初始结构进行初步优化；
[0013]步骤3，根据步骤2中初步优化后的成像系统，初步设计该成像系统中所包含各自由波面调控全息元件的曝光系统；
[0014]步骤4，对步骤2和步骤3初步优化所得到的成像系统和曝光系统进行协同优化设计，完成基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计。
[0015]所述步骤1中，逐点构建全息成像系统的初始结构时，初始结构由无光焦度分布的全息元件构成，全息元件的位置应近似满足成像系统结构和光路折叠的要求，为控制成像系统结构和消除光线遮拦，应为全息元件添加相位项，如x2和y2项，以实现设定的光焦度分布；为使成像系统在整个视场和光瞳内均实现良好的成像质量，全息元件应具备高阶相位函数。为计算出全息元件的解析相位函数，通过抽样成像系统中不同视场、不同光瞳坐标的光线，根据折射、反射方程和费马原理，基于光线映射关系直接计算出这些光线在全息元件交点位置的相位函数值和相位函数图像的法向量；根据位于虚拟三维空间中离散点的相位函数值和法向量，可拟合出全息元件的解析相位函数，得到该成像系统的初始结构。
[0016]所述步骤2中，对初始结构进行初步优化时，将全息元件的相位函数系数和各元件的位置坐标作为优化变量，同时约束各元件之间的相对位置关系。
[0017]所述步骤3中，在自由波面调控全息元件的曝光系统设计中，引入波前校正元件实现对自由波面调控全息元件的制备，在自由波面调控全息元件的曝光系统优化设计中，将波前校正元件的面型系数和各元件的位置坐标作为优化变量，曝光系统约束应控制各元件之间的相对位置以避免光线遮拦、表面干涉、杂散光干扰等问题；
[0018]所述步骤4中，对于全息成像系统与曝光系统的协同优化设计时构建与衍射效率相关的协同优化误差函数，以及成像系统和曝光系统中与成像质量相关的优化误差函数；
[0019]成像系统结构为离轴两反式，由两片自由波面调控全息元件和一个图像源组成。
[0020]其中，图像源015发出的成像光线经自由波面调控全息元件013和014的衍射，以平行光的形式进入人眼018。人眼018可观察到位于无穷远处的放大的全息虚拟图像，同时外界场景光线017可以无像差地透过全息元件013进入人眼018。该实例具备良好的光学透视式观察效果，可实现良好的虚实叠加效果。
[0021]在该全息成像系统设计中，考虑盖板玻璃对光线偏折的影响，实际盖板玻璃将用于保护全息元件。
[0022]在自由波面调控全息元件的曝光系统设计中，考虑全息基底玻璃对光线偏折的影响。
[0023]在自由波面调控全息元件的曝光系统设计中，选取自由曲面反射镜作为波前调制元件，反射镜面的一次反射光不会在曝光过程中引入杂散光。而自由曲面透镜前后表面的反射光则会在全息元件曝光过程中引入杂散光，会影响全息元件的正常曝光，从而对全息元件引入额外的像差，导致系统成像质量的降低。
[0024]有益效果
[0025](1)本专利技术公开了一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统及设计
方法。本专利技术首先利用逐点构建方法直接计算基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统的初始结构；再初步设计全息成像系统中所包含各自由波面调控全息元件的曝光系统；同时考虑全息成像系统的像质和衍射效率，对初步设计后的全息成像系统与曝光系统进行协同优化设计；最终得到具有高成像质量和高衍射效率的全息成像系统。本专利技术可以较好地完成基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计，为实际全息成像系统的设计提供了便利，且方便简便、适用性强。本专利技术可为制备高成像质量和高衍射效率的全息成像系统提供完备的设计方法和流程。
[0026](2)本专利技术可设计具有大视场、大孔径的基于自由波面调控全息元件的反射式成像系统，同时该系统具备良好成像质量和高衍射效率。
[0027](3)本专利技术为全息成像系统初始结构的设计提供了完备的设计方法
[0028](4)本专利技术为全息曝光系统初始结构的设计提供了完备的设计方法
[0029](5)为保证高成像质量和高衍射效率，本专利技术提供了成像系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法，其特征在于该方法的步骤包括：步骤1，根据成像系统的系统参数和结构要求，利用逐点构建方法直接计算出该成像系统的初始结构；步骤2，对步骤1中所得到的成像系统的初始结构进行初步优化；步骤3，根据步骤2中初步优化后的成像系统，初步设计该成像系统中所包含各自由波面调控全息元件的曝光系统；步骤4，对步骤2和步骤3初步优化所得到的成像系统和曝光系统进行协同优化设计，完成基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计。2.根据权利要求1所述的一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法，其特征在于：所述步骤1中，系统参数包括成像视场角、成像光束口径和系统有效焦距。3.根据权利要求1所述的一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法，其特征在于：所述步骤1中，结构要求为成像系统中各成像光学元件的相对位置关系。4.根据权利要求1所述的一种基于自由波面调控全息元件的离轴反射式成像系统设计方法，其特征在于：所述步骤1中，逐点构建全息成像系统的初始结构时，初始结构由无光焦度分布的全息元件构成，全息元件的位置应满足成像系统结构和光路折叠的要求，为控制成像系统结构和消除光线遮拦，应为全息元件添加相位项x2和y2项，全息元件具备解析相位函数，解析相位函数的获取方法为：通过抽样成像系统中不同视场、不同光瞳坐标的光线，基于光线映射关系直接计算出这些光线在全息元件交点位置的相位函数值和相位函数图像的法向量，根据位于虚拟三维空间中离散点的相位函数值和法...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨通，王永东，倪栋伟，程德文，王涌天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：