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。     

波前编码系统相位板视场效应的消除

通过在光学系统的光阑面上加入一个非球面相位板,使得光学系统的成像对离焦不敏感.但当入射视场角较大时,图像的边缘发生变形且难以恢复.针对此问题,提出了两种解决方案,方案一是把相位板移至光路中光线较为平缓的区域,但不是系统的光阑位置;方案二是保持相位板位置不变,优化整个光学系统,使相位板前的光线能够平缓地入射到相位板.实验中对一个EFL=12.5 mm,F/#=1.3,半视场角为13.5°的波前编码实际系统进行仿真比较,得出方案二可以有效地消除波前编码相位板引入的视场效应.     

相位板装配倾斜对波前编码系统点扩散函数的影响

分析了装配误差引起的相位板倾斜对波前编码系统的影响,通过坐标变换推导了相应条件下的广义光瞳函数。结果表明：倾斜因子对系统的相位板系数具有放大效果,其随倾斜角绝对值的增大而增大,而与倾斜角的正负无关。相位板倾斜会放大系统点扩散函数包络面的两条直角边,相应地降低其光学传递函数值。在子午倾斜的条件下,子午方向的相位板系数放大效果大于弧矢方向,从而导致点扩散函数包络面在子午方向的放大效果大于弧矢方向,子午方向光学传递函数值的降低效果大于弧矢方向。采用MATLAB以及商用光学软件进行仿真实验,验证了上述结论。     

相位板装配倾斜对波前编码系统点扩散函数的影响

分析了装配误差引起的相位板倾斜对波前编码系统的影响,通过坐标变换推导了相应条件下的广义光瞳函数。结果表明:倾斜因子对系统的相位板系数具有放大效果,其随倾斜角绝对值的增大而增大,而与倾斜角的正负无关。相位板倾斜会放大系统点扩散函数包络面的两条直角边,相应地降低其光学传递函数值。在子午倾斜的条件下,子午方向的相位板系数放大效果大于弧矢方向,从而导致点扩散函数包络面在子午方向的放大效果大于弧矢方向,子午方向光学传递函数值的降低效果大于弧矢方向。采用MATLAB以及商用光学软件进行仿真实验,验证了上述结论。     

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。     

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。     

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。     

探测器噪声对波前编码成像系统图像复原过程影响的理论研究

波前编码光学系统其成像过程由光学成像和图像复原两部分组成,光学成像过程探测器上所成的编码图像含有噪声,该噪声在图像复原过程将被放大,为了分析探测器噪声对波前编码系统在图像复原过程中产生的影响,通过添加高斯随机噪声来模拟探测器噪声,使用直接逆滤波、维纳滤波和Lucy—Richardson滤波算法,对波前编码成像系统焦点位...     

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...     

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。     

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.     

三次相位板波前编码系统彩色图像恢复的迭代算法

采用三次相位板进行景深延拓的波前编码系统得到非对称的点扩展函数.为了获得最终清晰的彩色图像.研究了一种基于广义极小残差法(GMREs)的迭代算法,结合Tikhonov规整化方法,并利用多通道处理过程对中间图像进行左卷积恢复.为了消除恢复图像边界的振铃效应,推导了新的光学成像过程数学模型,该模型采用反镜像边界条件并利用直积近似对卷积核进行处理.模拟数据的分析表明,采用多通道处理过程对彩色图片进行恢复时,新的算法在给出精确的反巷积结果的同时能有效地抑制噪声的放大;实验结果显示,较之经典的维纳滤波恢复结果,新算法能够更好的消除边界的振铃和图像边缘的振动波纹.     

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。     

基于波像差函数建立大口径施密特校正板方程

施密特光学系统由施密特校正板和球面反射镜组成,校正板设置在球面反射镜的球心处,系统的焦点不一定和反射镜的焦点重合。为了得到精确的校正板面形初始结构参数,基于波像差函数建立了带有离焦量的大口径施密特校正板的数学模型,同时校正了系统的三级和五级球差。利用光学设计软件对校正板口径为1000mm、主镜的曲率半径为2000mm、F数为1的系统进行了设计和分析,来验证校正板面形数学模型的正确性。结果显示此校正板的数学模型与优化后结果吻合得较好,校正板面形初始结构参数的精度得到了极大的提高,这为大口径、大相对孔径的施密特光学系统的设计提供了理论基础。     

一种基于OTF稳定性的波前编码相位板优化方法

提出了一种简单的可用于光学系统中子午弧矢方向白光OTF稳定性评价的波前编码相位板参量优化方法.该方法仅以标准偏差来评价OTF在目标景深范围内的稳定性,并且结合自适应模拟退火算法在参量空间内优化得到相位板的最佳参量.使用该方法优化得到的相位板参量,可以大幅度提高光学系统的景深,并且可以获得更为清晰、稳定的成像.对应用波前编码技术前后光学系统的成像性能作了比较,并且考察了优化参量的容差性.     

一种用于光学成像系统的新型液晶相位调制器

研制出新型平行排列的二维阵列液晶相位调制器(LCPM),利用此相位调制器在Zygo干涉仪上进行了泽尼克(Zernike)多项式的产生和畸变波前调制的实验。能够很好地产生泽尼克多项式的前2~8项面形,用16项泽尼克模式对畸变波前进行了调制,峰谷(PV)值可由调制前的0.831λ减小到调制后的0.444λ,均方根(RMS)由调制前的0.181λ减小到调制后0.066λ,斯特列尔比(Strehl ratio,SR)由调制前的0.257达到调制后的0.844。实验结果表明,在光学成像系统中,利用平行排列的液晶相位调制器,进行波前像差的调制可以使成像质量得到很好的改善。