扩大景深的波前编码成像系统特性分析

从空域和频域两个方面利用新的数学工具对扩大景深的波前编码成像系统的一些重要特性进行了阐释和分析。空域中,主要利用维格纳分布函数的正则投影来分析系统的点扩展函数对离焦像差的变化不敏感特性;频域中,则利用考纽螺线的图解方法来分析系统的光学传递函数对离焦像差的变化不敏感特性。简单讨论了波前编码成像技术所涉及的数字图像处理方法,并且用数值仿真实验验证了波前编码成像系统的这些优越特性。     

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。     

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。     

点扩散函数选取对波前编码图像复原影响的实验研究

波前编码系统由于其离焦不敏感和像差抑制特性被广泛应用于光学系统中来延拓景深。景深的拓展是以牺牲图像像质为代价,通过数字复原方法获得正常水平的图像质量。通过对比分析两种复原方式,一种是焦点处的点扩散函数复原全部离焦位置的模糊图像,另一种是点扩散函数分别复原对应离焦位置的模糊图像,通过仿真模拟和显微实验成像对比分析得知点扩散函数复原对应离焦位置的模糊图像的复原方式可以有效削减振铃效应。该复原方式可以减弱图像二次模糊,复原结果更适合人眼观察。     

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。     

奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图分析

基于几何光学理论利用光线追迹方法得到了适用于任意面型相位板的大视场平行光入射情况下的光线像差近似表达式,并在此基础之上分析了奇对称型相位板波前编码系统的点列图的大小、边界以及光线结构等特性,研究了大视场角平行光入射下的光线像差增强及点列图形变等现象,并且给出了相应的近似数学解析式来描述这些特性。通过对奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图特性分析,有助于进一步的理解波前编码技术并且指导实际系统的设计。     

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。     

三次相位掩模板波前编码系统非轴向斯特雷尔比

传统成像光学系统的点扩展函数(PSF)峰值位置在其光轴上,斯特雷尔比(SR)定义为有无像差轴向PSF强度之比,而波前编码系统在光瞳处相位变化为非旋转对称式,其PSF在像面上将产生偏移,利用PSF的轴向强度计算光学系统斯特雷尔比将不再适用.分析了三次相位掩模板PSF的位置偏移量,其是以焦面为对称轴的抛物线族.并在此基础上...     

一种新型人眼波前像差测量补偿系统的研究

离焦是人眼中最主要的像差之一,离焦量过大会严重影响人眼波前像差的测量及矫正精度。为了消除离焦在此方面带来的影响,设计了带有补偿装置的人眼波前像差测量及矫正系统。重点分析了该系统的原理、结构和工作流程。运用Hartmann-Shack波前传感器测量了人眼波前像差,并使用变形反射镜对人眼波前像差进行矫正。对模拟人眼矫正离焦前后的光斑点阵图和波前三维重构图进行了对比分析。研究表明,通过离焦补偿系统对模拟人眼的离焦量进行矫正,使被测量人眼的离焦量由2.020D和-2.035D分别减小到0.011D和-0.007D;通过调焦系统,使显示器上显示出的人眼光斑点阵图由模糊变清晰,提高了信标光在人眼眼底的成像质量。     

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.     

Passive ranging and a three-dimensional imaging system through wavefront coding

A single-image passive ranging and three-dimensional(3 D) imaging system with chiral phase encoding was proposed in 2011 [Opt. Lett. 36, 115(2011)]. A new theoretical analysis of the system in space domain is presented in this paper. We deduce the analytic relationships between the object distance and the point spread function, and between the object distance and the encoded image, respectively. Both the point spread function and the processed spectrum of the encoded image have two spots, which will rotate with the variation of the object distance. Then the depth map is extracted from the encoded image and it can be used to set up 3 D images. The theoretical analysis is verified by a wavefront coding system with a chiral phase which is generated by a phase-only liquid-crystal spatial light modulator. The phase generated by the liquid-crystal spatial light modulator is more flexible than the fixed phase mask and can be adjusted in real time. It is especially suitable for observing the object with a large depth of field.     

波前编码双共轭梯度平方稳定解码算法及其 TMS320DM642平台的实现

波前编码是一种新型的光学-数字混合二步成像系统,采用三次光学编码相位板可以得到系统的非对称点扩散函数和相当景深内模糊程度一致的中间图像.本文利用空间域光学成像模型,结合反镜像边界束缚条件以及矩阵的直积分解,提出一种基于双共轭梯度平方稳定算法(Bi-CGSTAB)的图像复原算法实现波前编码系统的数字解码.该算法具有计算量小、计算速度快,几乎没有边界效应等优点.在此基础上结合TMS320DM642平台并行计算的特点,将新的算法重新优化并移植到TMS320DM642平台上.整个平台由图像采集模块、图象显示模块以及外部存储器等模块组成.通过专门设计的光学系统,分别对物距为1m、5m和10m处的物体以及人像进行成像.对中间模糊像的恢复实验结果表明,新的算法在TMS320DM642平台上图像复原速度快,效果好,为波前编码系统的真正便携和实用提供了可能.     

波前编码双共轭梯度平方稳定解码算法及其TMS320DM642平台的实现

波前编码是一种新型的光学-数字混合二步成像系统,采用三次光学编码相位板可以得到系统的非对称点扩散函数和相当景深内模糊程度一致的中间图像.本文利用空间域光学成像模型,结合反镜像边界束缚条件以及矩阵的直积分解,提出一种基于双共轭梯度平方稳定算法(Bi-CGSTAB)的图像复原算法实现波前编码系统的数字解码.该算法具有计算量小、计算速度快,几乎没有边界效应等优点.在此基础上结合TMS320DM642平台并行计算的特点,将新的算法重新优化并移植到TMS320DM642平台上.整个平台由图像采集模块、图象显示模块以及外部存储器等模块组成.通过专门设计的光学系统,分别对物距为1m、5m和10m处的物体以及人像进行成像.对中间模糊像的恢复实验结果表明,新的算法在TMS320DM642平台上图像复原速度快,效果好,为波前编码系统的真正便携和实用提供了可能.     

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.     

Variations in the point spread function characteristics of wavelengths for a wavefront coding imaging system

The point spread function (PSF) characteristics of wavelengths for a wavefront coding imaging system are investigated. Although the phase delayed by the mask changes with wavelength, the shape of the PSF is nearly invariant with respect to wavelength. However, the position of the PSF shifts with axial chromatic aberration. If the wideband light is separated into several channels and separated channel images are restored using the same filter, then color traces may be observed in the recombined color images.     

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。     

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.     

An apodized cubic phase mask used in a wavefront coding system to extend the depth of field

The point spread function (PSF) caused by a wavefront coding system with a cubic phase mask has big side-lobes which leads to bad image restoration. This paper proposes a novel apodized cubic phase mask to suppress the side-lobes of the PSF. Simulated annealing algorithm is used to optimize the cubic and the truncation parameter of the phase mask. The system with the novel phase mask has better performance in the modulation transfer function (MTF) especially in low-and-medium spatial frequency region. The simulation results show that the restored images with the novel phase mask are superior to the one with the classic cubic phase mask in contrast and ringing effect. The experimental results show that the side-lobes of the PSF are suppressed by using the apodized cubic phase mask.     

优化的数字全息显微成像系统

基于预放大数字全息显微系统的全息图记录与再现过程及其点扩散函数的分析, 从成像分辨率、成像质量及实现的难易程度等方面对数字全息显微中六种常见记录光路系统的成像性能进行了对比研究. 结果表明, 像面数字全息术具有最高的成像分辨率及成像质量, 其成像分辨率与记录器件的光敏面尺寸无关, 该系统对信息的记录是完整的, 而且记录过程不必考虑物体被照亮区域的大小, 再现过程非常简单, 是优化的数字全息显微成像系统. 等波面弯曲的物参光像面数字全息术非常有利于位相解包裹及位相畸变补偿的正确进行, 该系统更适合于位相显微. 实验结果验证了理论分析的正确性. 关键词： 显微数字全息 预放大数字全息 像面数字全息 分辨率