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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

多重交织抽样消除光电成像系统中的高阶残余频谱

光电成像系统的抽样过程引起图像频谱分布在频谱空间无限重复，即使抽样过程满足系统的Ｎｙｑｕｉｓｔ条件，即无频谱混叠，但在重建过程中，如果电子滤波的频率响应范围较宽，不能对高阶频谱项截止，它对高阶重复的频谱项的衰减所产生的残余频谱会在重建图像中产生假响应。本文提出用同一图像进行多重交织抽样的方法来消除重建过程中的高阶残余频谱，同时具有较好图像恢复的效果。在理论上用光学传递函数方法证明了有关的结论。     

Engineering the point spread function of layered metamaterials

Layered metal-dielectric metamaterials have filtering properties both in the frequency domain and in the spatial frequency domain. Engineering their spatial filtering response is a way of designing structures with specific diffraction properties for such applications as sub-diffraction imaging, supercollimation, or optical signal processing at the nanoscale. In this paper we review the recent progress in this field. We also present a numerical optimization framework for layered metamaterials, based on the use of evolutionary algorithms. A measure of similarity obtained using Hölder’s inequality is adapted to construct the overall criterion function. We analyse the influence of surface roughness on the quality of imaging.     

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.     

二维圆周光综合孔径阵的优化排列及其成像特性研究

光综合孔径成像的原理是应用干涉原理在空间频率域中进行采样,并通过傅里叶反变换或其他数值变换方法得到空间分辨力远高于单个孔径成像系统的目标图像。由若干个相同的小孔径在二维圆周上优化排列组成的综合孔径成像系统可以在二维空间频率域中实现较为均匀分布的、具有无冗余度的采样点覆盖,为高质量实时成像提供了一个有效的途径。运用模拟退火算法对由7～16个子孔径组成的二维圆周综合孔径阵列进行优化排列。并依据光学衍射成像原理,从空域和频域两个方面详细分析了二维圆周上优化排列与均匀排列光综合孔径阵的成像特性。对7～16个子孔径组成的光综合孔径的仿真结果表明：无论是在空域还是频域上,子孔径直径增大、孔径数目增多以及综合孔径阵的优化排列都是有利于提高成像质量的。但综合后的子孔径的直径的增大,虽然能获得极高的角分辨力,却并不利于成像质量的提高。     

基于实际空间截止频率的稀疏孔径双圆周阵列的优化

提出了一种新的稀疏孔径光瞳结构-两个圆周阵内外嵌套而成的双圆周结构,并研究了该结构的调制传递函数.该结构以实际空间截止频率作为约束条件,保证调制传递函数在最小截止频率以内无零频,以阵列的u-v覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,并采用这种优化方法对3-3、5-3以及6-3双圆周阵列进行了优化排列.将优化结果与相同子孔径数目的均匀圆周阵以及Golay结构进行仿真实验和比较.结果表明,优化后的双圆周阵列,具有最大的实际空间截止频率和实际等效口径.     

基于实际空间截止频率的稀疏孔径双圆周阵列的优化

提出了一种新的稀疏孔径光瞳结构—两个圆周阵内外嵌套而成的双圆周结构,并研究了该结构的调制传递函数.该结构以实际空间截止频率作为约束条件,保证调制传递函数在最小截止频率以内无零频,以阵列的u－v覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,并采用这种优化方法对3-3、5-3以及6-3双圆周阵列进行了优化排列.将优化结果与相同子孔径数目的均匀圆周阵以及Golay结构进行仿真实验和比较.结果表明,优化后的双圆周阵列,具有最大的实际空间截止频率和实际等效口径.     

天光背景下混浊大气中成像质量的分析方法

调制传递函数(MTF)定量描述混浊介质对图像质量的影响,它是混浊介质的固有光学特性,利用等效原理可以获得MTF从低频到高频的完整特征.在实际应用中,混浊介质中的图像质量不仅取决于介质的MTF,还与图像的背景辐射密切相关.本文从混浊大气中图像退化机理出发,理论分析了空间频域中天光背景下图像质量的退化过程.参考等效原理,提出了一种考虑天光背景的表观MTF,得到了表观MTF与介质MTF和天光背景的定量关系,从而得到了一种分析背景辐射下混浊介质中图像质量的有效便捷方法.针对图像质量优化方法,从空间频域的角度提出了一种评价原则.     

空间频率域的张量ABCD定律

运用张量分析方法把轴对称系统中的空间频率域的柯林斯公式推广到一般的非轴对称光学系统,并推导了在空间频率域中适用于非轴对称光学系统的张量ABCD定律。空间频率域中的柯林斯公式和张量ABCD定律直接给出了像散光束的空间傅里叶频谱的传输规律。它们在处理与空间频谱有关的问题,如空间滤波,成像系统的传递函数,复杂像散高斯光束在自由空间的传输等问题时更为简便。     

X光能点、放大倍率及针孔尺寸对空间分辨的影响

X光针孔成像是惯性约束聚变(ICF)研究中重要的诊断方法,对其点扩散函数的计算可用于图像重建和系统空间分辨的判断。对菲涅耳衍射公式进行了化简,分析了X光能点、针孔尺寸及放大倍率对针孔点扩散函数的影响。实验在保证成像能获得足够高信噪比的条件下,通过模拟获得在最佳空间分辨时所要的针孔大小、放大倍率和X光能点等参数。在流体力学不稳定性的静态样品定标实验中,通过模拟获得了针孔的调制传递函数(MTF),结合实验测量的结果反推获得分幅相机本身的MTF值。同时采用测刀边函数的方法获得了分幅相机本身的刀边函数,进而得到相机在各空间频率下的MTF值。两种方法得到的分幅相机MTF值一致,验证了通过菲涅耳衍射模拟X光针孔成像的可行性。