光学稀疏孔径系统中端到端孔径布局优化与图像恢复的平衡策略研究：兼顾成像质量与截止频率

本文创新性地提出了一种联合优化光学稀疏孔径(OSA)系统孔径布局(AL)与图像恢复网络的改进方法，通过可微分点扩散函数(PSF)建模同步优化子孔径坐标/半径，并设计多损失函数平衡MTF贡献值与成像质量。实验证实该方法在0~0.1λ活塞误差下仍能保持等效全孔径(EFA)的截止频率，9子孔径系统光通量仅需18-mm EFA的24%即可实现更优图像对比度。

　　

Highlight
可微分点扩散函数
OSA系统的点扩散函数(PSF)采用第一类一阶贝塞尔函数构建，如公式(1)所示，该函数对子孔径半径d_i和坐标(x_i,y_i)均具有可微特性。其中(ξ,η)为像面坐标，J₁(·)为贝塞尔函数，λ为波长，f为焦距。这种数学表达使得PSF能通过梯度下降法同步优化几何参数与光学性能。

理想共相条件下的性能
为验证多损失函数的有效性，设置β₁,β₂为(0,0)和(1,1)、ρ为12%/18%/24%进行六组对比实验。当β₁=β₂=0时仅MSE生效，优化结果偏向低频信息；而引入MTF约束(β₁=β₂=1)后，系统在保持24%光通量时即可达到EFA的截止频率，像差容限提升3倍。

Conclusion
本研究提出的联合优化方法通过创新性地将子孔径半径纳入PSF优化框架，并设计兼顾MTF高频贡献与成像质量的多目标损失函数，使9子孔径OSA系统在仅24%集光面积下即实现与18-mm EFA相当的截止频率。该方法对0.1λ范围内的活塞误差展现出显著鲁棒性，为高分辨率轻量化光学系统设计提供了新范式。