基于传统显微系统的波前编码显微系统设计研究

波前编码系统是一种新型的光学数字混合成像系统。利用光阑处放置优化设计的三次相位板对波前的调制作用,可以实现在像面附近相当范围内系统的点扩展函数一致;进一步通过数字图像去卷积算法可以得到相当景深范围内清晰的成像,从而实现景深延拓。根据传统显微系统的特点,提出了一种基于传统显微物镜系统的波前编码显微系统设计思路,设计并加工了一套10×,40×波前编码显微成像系统。基于传统显微系统的波前编码显微系统可以有效地延拓传统显微物镜系统的景深,提高系统的成像质量。     

手机成像系统的波前相位编码板光学特性的优化

设计了基于波前相位编码板的轻薄手机镜头,原始成像系统的焦深大小是0.017 mm,使用立方相位编码板,采用基于斯特列尔比的相位板优化方法,保持了在不同离焦位置成像系统MTF的稳定性,最终成像系统设计焦深达到0.136 mm,焦深扩展了8倍,经过Zemax软件仿真,验证了景深延拓的效果。设计结果表明,使用相位编码板即可增大定焦距手机系统的景深,使得系统结构紧凑,又克服了视场效应。     

一种优化波前编码系统相位板参数的新方法

根据波前编码系统的设计理论,在兼顾图像恢复能力的基础上,提出利用不同离焦距离的点扩散函数与焦面处的点扩散函数之间的希尔伯特空间角作为成像特性一致性的评价函数,结合遗传算法,对扩大景深的波前编码成像系统的相位板参数进行优化。分别在空间域和频率域上分析应用波前编码技术前后光学系统的成像特性,并利用最小二乘数字滤波器对中间模糊图像进行复原。仿真实验结果表明:在三次相位板上应用此方法获得的最佳相位板参数使波前编码系统焦深扩展了10倍。     

带有波前编码板的虹膜采集光学系统的设计

设计了一款采用波前编码技术的虹膜采集光学系统,以实现大景深、自然非约束状态下的成像.以传统的光学系统评价指标斯特利尔比和能量集中度作为波前编码系统的成像特征,利用ZEMAX软件对波前编码系统进行设计,权衡了离焦不敏感性和图像可恢复性.比较了带有立方相位编码板和带有修正项的立方相位编码板的虹膜采集系统以及传统系统的焦深延拓效果.发现采用立方相位编码板的虹膜采集光学系统的焦深延拓效果最佳,其焦深是传统系统的8倍.该系统增大了虹膜采集的距离,对于自然状态虹膜成像系统设计有一定的参考价值.     

应用波前编码技术提高空间相机的稳健性

通常情况下,焦面在光学系统焦深范围内移动,空间相机像质变化较小,一旦移出焦深范围,像质将出现不同程度的下降。波前编码(WFC)成像技术具有很好的扩展焦深功能,能够使光学系统表现出离焦不敏感的特性。采用了扩展多项式在光瞳处引入三次相位分布,以光学传递函数作为系统像质衡量准则构建了自定义评价函数,进行了波前编码光学系统的设计,并搭建了实验装置。实验结果表明,复原后的波前编码图像不仅与原系统成像质量相当,并且在较大的焦深范围内保持一致,验证了波前编码技术提升空间相机稳定性的可行性。     

用位相板实现景深延拓的原理与模拟实验研究

对波前编码技术实现景深延拓的原理进行了研究,分析了波前编码系统成像对离焦不敏感的原因,得到了波前编码光学系统景深延拓扩展率公式,发现了景深延拓扩展率与位相板参量的关系.利用Zemax设计了波前编码光学系统,用Matlab进行了成像模拟实验,实验结果表明,波前编码系统能提高传统光学系统的景深,提高的倍数由三次相位板的相位常量决定.     

波前编码成像系统景深延拓扩展率的研究

研究三次相位板的波前编码光学系统,发现在一定的条件下系统调制传递函数(MTF)对波前编码系统的离焦不敏感,才能得到波前编码系统的景深.对比传统光学系统的景深,得到波前编码系统的景深延拓扩展率的表达式.分析空间频率取值范围和三次相位板系数α,发现当a=20π时,波前编码系统可以将传统光学系统的景深扩大60倍以上.     

基于MTF一致性的波前编码相位板参数研究

波前编码成像系统因能够在不降低系统分辨率和入射光能量的情况下扩大非相干光学成像的景深（焦深）而倍受关注。在波前编码技术理论的基础上,以波前编码成像系统离焦时的MTF和未离焦时的MTF的均方差来表征系统离焦时的MTF一致性,即系统的离焦不变性,分析得到了三次相位板系数的合理选取范围。利用模糊函数的性质和系统传递信息能力分析相位板系数的选择对系统传递信息的影响,从而确定三次相位板参数选择的依据。     

变焦光学系统的景/焦深延拓及其分析

变焦光学系统在连续变焦过程中,由于变焦曲线的计算和加工精度,导致实际像面离焦,成像质量下降。变焦系统的特点是长焦距对应窄视场,短焦距对应宽视场。将波前编码技术应用于变焦系统,在系统的光瞳面设置相位掩模,则扩展了原系统的焦深和景深,使调制传递函数对离焦不敏感,同时提高短焦距宽视场的边缘成像质量。文章对原系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了分析和对比,随后讨论了掩模板的相位因子对系统的景深、焦深延拓以及对像质的稳定作用。仿真显示:变焦波前编码光学系统对离焦不敏感,可以很好地扩大系统的焦深和景深、稳定边缘视场的像质,具有很高的实用价值。     

波前编码系统成像特性的空间域分析

波前编码技术在大幅度地增加光学系统景深的同时,可以抑制各种离焦类型的像差。目前波前编码系统的成像特性分析大多是基于空间频率域的分析,在应用稳定相法导出三次型相位板波前编码系统的点扩展函数近似解析式的基础之上,描述了点扩展函数的边界、带宽与振荡等特性,分析了波前编码系统对离焦、像散、彗差等常见像差的敏感性,从空间域进一步分析了波前编码系统的成像特性。     

应用费希尔信息量评价函数的波前编码系统设计

在兼顾图像恢复能力的基础上,将不同物距下点扩展函数相似性的评价函数费希尔信息量(Fisher Information,FI)应用到波前编码实际光学系统相位板的优化设计中。在焦距和孔径之比为3、有效焦距为100 mm的无穷远成像的双胶合系统的基础上,设计得到了双胶合-波前编码系统。通过解码前后的点扩展函数模拟和实验结果表明,该系统在5 m到无穷远的物距范围内很好地调制了系统的点扩展函数,使得它对物距不敏感。最后通过对位于5 m,10 m和15 m的三人分别进行传统双胶合成像和双胶合-波前编码系统的成像实验对比,有力地证明了双胶合系统的清晰成像的物距范围从10 m到无穷远扩展到5 m到无穷远,这使得光学系统景深得到很大的延拓。     

Pupil design based on Fisher information optimization to extend field depth in practical optical system

<正>Wavefront coding(WFC) is used to extend the field depth of an incoherent optical system by employing a phase mask on the pupil.We uses a Fisher information(FI) metric based optimization method to design a phase mask by taking the modulation transfer function(MTF) of the practical optical system into consideration. This method can modulate the wavefront so that the point spread function and optical transfer function are insensitive to the object distance.The simulation results show that the optimized phase mask based on the proposed method can further improve the defocusing image quality while maintaining the focusing image quality.     

Focal depth extending using rotational symmetric pupil masks

Optical systems are analyzed with three kinds of rotational symmetric pupil masks: annular Gaussian ring mask, supergaussian ring mask, and quartic phase mask. In these masks, the quartic phase mask is found to be the best one to extend focal depth. Point spread function (PSF) and Strehl ratio (SR) are used to evaluate the imaging quality of the system with different defocus parameters. Without decoding needed, the focal depth of the system with quartic phase mask is four times as deep as aberration-free system. Different from the others, it suffers no obvious loss in the light throughput and lateral resolution.With twice focal depth extension, supergaussian ring mask suffers less loss in light throughput and lateral resolution than annular Gaussian ring mask.     

Optimized phase pupil masks for extended depth of field

By properly designing a phase pupil mask to modulate or encode the optical images and then digitally restoring them, one can greatly extend the depth of field and improve image quality. The original works done by Dowski and Cathey introduce the use of a cubic phase pupil mask to extend the depth of field. The theoretical and experimental researches all verified its effectiveness. In this paper, we suggest the use of an exponential phase pupil mask to extend the depth of field. This phase mask has two variable parameters for designing to control the shape of the mask so as to modulate the wave-front more flexible. We employ an optimization procedure based on the Fisher information metric to obtain the optimum values of the parameters for the exponential and the cubic masks, respectively. A series of performance comparisons between these two optimized phase masks in extending the depth of field are then done. The results show that the exponential phase mask provide slight advantage to the cubic one in several aspects.     

Cubic sinusoidal phase mask: Another choice to extend the depth of field of incoherent imaging system

Wave-front coding is a well known technique used to extend the depth of field of incoherent imaging system. The core of this technique lies in the design of suitable phase masks, among which the most important one is the cubic phase mask suggested by Dowski and Cathey (1995) [1]. In this paper, we propose a new type called cubic sinusoidal phase mask which is generated by combing the cubic one and another component having the sinusoidal form. Numerical evaluations and real experimental results demonstrate that the composite phase mask is superior to the original cubic phase mask with parameters optimized and provides another choice to achieve the goal of depth extension.     

波前编码系统的点扩散函数稳相法分析

本文利用稳相法从本质上分析了三次相位波前编码系统的点扩散函数特性.通过分析三次相位板任意位置掩膜带和点扩散函数的关系,指出点扩散函数和稳相点的关系:两个稳相点引起点扩散函数的振荡,一个稳相点则只会造成点扩散函数的平稳变化.相位掩膜带或相位掩膜对的对称结构是同一区域内存在两个稳相点的必要条件,对称结构的不同位置对应于点扩散函数的不同部分.这种对应关系同时解释了对焦点扩散函数只存在振荡,而离焦点扩散函数却还存在平缓变化区域的本质原因,这是由离焦时光学对称轴和几何对称轴不重合引起的.本文建立了点扩散函数和对称相位掩膜对之间的对应关系,可以有效地指导相位掩膜的加工和检验.     

可调谐相位板空域频域联合分析

波前编码系统采用在传统光学系统中加入相位板来扩大光学系统的景深而避免传统景深延拓技术的不利影响. 由于相位板的参数不可调, 整个系统的景深延拓扩展率也不能动态可调. 采用两相位板组合的方法可以有效克服这一点. 本文首先从光线差的角度提出了两三次相位板组合下的光线像差分布以及点扩散函数尺寸的具体关系表达式, 直观体现了系统的光线结构, 指出了光线结构和点扩散函数尺寸受两三次相位板的面型和相对位移量的影响. 其次采用稳相法从空间域给出了系统点扩散函数表达式, 依据点扩散函数的振荡性质给出了有效带宽表达式, 提出了点扩散函数在像面的位置会随两相位板面型参数以及相对于光瞳中心的位移量而发生平移. 最后利用菲涅耳积分给出两三次相位板任意面型参数和相对位移组合下的准确光学传递函数. 在得到的调制传递函数中直观体现出了面型参数和相对位移量对调制传递函数和相位传递函数以及有效带宽的影响, 并说明了此系统相位传递函数的非线性性质. 通过空间域与频率域相结合的方法分析验证了传统的两三次相位板组合具有景深可调和带宽可调的性质, 为设计可调谐波前编码系统提供了理论依据.     

Optimized free-form phase mask for extension of depth of field in wavefront-coded imaging

To achieve a further extension of the depth of field in wavefront-coded imaging by reducing the impact of focus error in the optical transfer function, we propose the use of a free-form phase mask (FPM) instead of a conventional cubic phase mask (CPM). We optimized the shape of the FPM using the simulated annealing algorithm and confirmed that the optimized FPM provides a much larger focal tolerance and better final images than the CPM in the noise-free case.