大焦深成像系统的特性研究

如何增大非相干光学成像系统的焦深已成为一项有意义的研究主题，为了增大焦深，通常的做法是缩小相对孔径，但这种做法会降低光学系统的光通量、调制传递函数（MTF）及分辨率，而大焦深成像系统通过在光学系统光路中加入一特殊设计的非球面掩摸板，并用图像处理技术对相位掩模板编码后的图像进行解码得到清晰图像，保证了光学系统在维持原有相对孔径的同时扩大其焦深范围，使光学系统在离焦范围内有好的图像质量，从光学图和系统的MTF两个方面对大焦深成像系统的特性进行了分离，并对结果进行了讨论。     

扩大光学系统焦深范围的光学成象新技术研究

如何增大非相干光学系统的焦深已成为一项有意义的研究主题.对于普通光学系统,其焦深与光学系统的相对孔径平方成反比.为了增大焦深,通常的做法是缩小相对孔径,但这种做法有其缺点:会降低光学系统的光通量及调制传递函数(MTF)和分辨率.本文提出了一种新方法,通过在光学系统光路中加入一特殊设计的非球面掩模板,并用图象处理技术对相位掩模板编码后的图象进行解码得到清晰图象.保证了光学系统在维持原有相对孔径的同时扩大其焦深范围,使光学系统在离焦范围内有好的成象质量.     

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。     

大焦深内窥镜光学系统设计

医用内窥镜技术要求在大的物距范围内实现清晰成像,但其使用环境又对系统尺寸及镜片数目的要求非常严格,难以利用传统方法实现光学调焦。在传统的光学设计中,通常依靠减小相对孔径来增大系统焦深,往往会造成许多负面影响。介绍了一种电润湿型液体可变焦透镜,并在这一新型元件的基础上,设计了一种微型可调焦光学系统。该系统依靠外加电压控制液体透镜焦距做微小改变,从而校正由于物距变化产生的离焦,增大内系统的焦深,同时保证系统的微型结构。这一设计将使内窥镜的使用更加方便,有着广泛的应用前景。     

无透镜傅里叶变换显微数字全息成像系统的焦深

基于透镜相干光学成像系统的斯特列尔(Strehl)判据, 对无透镜傅里叶变换显微数字全息成像系统的焦深进行了推导, 得到了参考点源对称偏置和非对称偏置两种情况下的焦深表达式. 结果表明, 无透镜傅里叶变换显微数字全息成像系统的焦深决定因素与透镜相干成像系统的焦深决定因素不同, 其焦深不仅与照明光源的波长, 成像系统的孔径及记录距离有关, 还与参考光源的配置有关. 计算机模拟和实验结果均证明了理论分析的正确性.     

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。     

大焦深离轴超透镜的设计与制作

基于单层超表面结构,设计并制作了一种具有大焦深的离轴超透镜.利用相位叠加的设计方法,将偏转与聚焦这两个功能合二为一以实现离轴聚焦,并通过优化入射孔径和离轴偏转角来增大焦深.实验结果表明:当入射电磁波的频率为9 GHz时,离轴偏转角为27.5°,焦距为335.4 mm,这与30°和350 mm的预设值比较符合.在8,9和10 GHz三个频率下的焦深分别为263.2,278.5和298.2 mm,分别对应波长的7.02倍、8.36倍和9.98倍.该离轴超透镜结构简单,具有良好的离轴聚焦能力和较大的焦深,这在小型化、平面化的大焦深成像系统以及离轴光学系统中具有潜在的应用前景.     

相位光阑对光学系统中焦深的影响

焦深在高密度光盘存储系统中具有十分重要的作用,大焦深可以使调焦伺服系统容易跟踪盘面。采用标量衍射理论和基于德拜近似条件的矢量衍射理论,分别在低数值孔径和高数值孔径两种情况下,系统研究相位光阑对聚焦光学系统的轴向光强分布和焦深的影响。研究结果表明：相位光阑对光学系统的焦深影响很大,高数值孔径系统中,选择适当的相位光阑几何尺寸可以使焦深提高约6倍。     

小型化望远式激光共焦扫描显微内窥镜

研制了一种激光共焦扫描显微内窥镜,采用望近式显微内窥光学系统,同时实现长距离的图像中继传输、远心f-theta光学扫描和显微内窥成像功能.二维共焦扫描由双振镜实现,低噪音扫描控制信号由嵌入式系统产生.为实现便携式应用,激光共焦扫描显微内窥镜采用小型化设计方案.首先,体内的显微内窥成像光学系统,外径尺寸为8 mm,工作长...     

波前编码显微物镜景深扩展的研究

为了解决传统显微物镜景深与分辨率的矛盾,采用波前编码的方法,设计研究了波前编码的10倍显微物镜,结合传统光学设计软件,采用基于MTF一致性的相位板参数的优化方法,实现了在像面附近一定范围内系统的点扩散函数一致性;此外,还设计了扩展三次相位编码板的10倍显微物镜,比较了采用两种不同相位板系统的焦深扩展的效果,结果显示三次相位板的焦深扩展效果较好,可以将传统10倍显微物镜的焦深扩展15倍。成像模拟仿真结果显示滤波后的编码像在±15倍焦深范围内成像清晰,从而扩大了系统的景深。     

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.     

Depth-controlled reconstruction of 3D integral image using synthesized intermediate sub-images

In this paper, we propose a method that controls the depth of the three-dimensional (3D) object existing over the depth-of-focus in integral imaging. The depth control method is performed only in a computer by synthesizing the intermediate sub-images between original sub-images obtained by transforming the captured elemental images. In the reconstruction process, we can obtain reconstructed 3D images with the better image quality within depth-of-focus than that reconstructed over the depth-of-focus. To demonstrate the feasibility of our method, optical and computational experiments are carried out and its results are presented.     

用灰阶编码掩模实现邻近效应精细校正的研究

提出了用灰阶编码的二元掩模代替灰阶掩模实现邻近效应精细校正的新方法,并阐述了新方法的特点,讨论了灰阶编码掩模与灰阶掩模的等效关系,给出了灰阶编码掩模实现光学邻近效应校正的模拟结果,校正后的综合面积偏差比较正前减少了１０％。     

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.     

Transverse superresolution and focal shift with rotational tunable phase mask

This paper reports the imaging characteristics of an optical system can be modified by our designed polarization pupil mask. The novel rotational symmetric polarization pupil mask design based on combination of half-wave and quarter-wave plates is introduced for realizing the focal shift and extending focal depth of an optical system and the procedure for designing is presented. Numerical results show when an appropriate rotational symmetric polarization pupil mask is used as an apodizer in the optical imaging system, it not only can effectively achieve the continuously focal shift in a small range and extend focal depth of the optimized system, but also can evidently increase the transverse resolution of the optimized system at the genuine focal plane.     

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.     

Theoretical Analysis of Photon-Mode Super-Resolution Optical Memory Using Saturable Absorption Dye

The possibility of a super-resolution optical memory using a saturable absorption dye mask layer is theoretically discussed. An equation which estimates the transmittance change of the mask layer has been derived. The numerical simulation shows that an efficient super-resolution is performed when the initial optical density of the mask layer is high.     

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.     

用浑沌序列构造相位列阵加密和解密光学图象

本文提出了一种用浑沌序列构造相位列阵加密和解密光学图象的方法,并对该光学系统进行了计算机模拟。由浑沌序列对初始条件的敏感性使保密性能提高,同时它又是由确定性系统产生的,故可以完全被重构。将它和纯相位空间光调制器结合起来能对光学图象实时进行相位加密和解密,不仅使密匙更难被非法破译,而且压缩了其数据量。结果表明该方法较随机相位掩模方法具有许多优越性且易于实际应用。