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.     

波前编码景深延拓与几何光学景深的关系

波前编码成像系统将模拟编码方法与数字解码技术相结合解决景深延拓问题,可以用信息光学的方法进行分析,得到波前编码系统的景深延拓扩展率。但是这种方法使用的景深概念和几何光学的景深概念有所不同。从几何光学角度研究了信息光学导出的波前编码系统的景深延拓扩展率与几何光学景深延拓的关系。最后得出结论,在F数一定的情况下,随着探测器分辨率的提高,几何光学景深延拓扩展率与信息光学给出的波前编码光学系统的景深延拓扩展率趋于一致。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

Optical transfer function analysis of circular-pupil wavefront coding systems with separable phase masks

This paper proposes a simple method to achieve the optical transfer function of a circular pupil wavefront coding system with a separable phase mask in Cartesian coordinates.Based on the stationary phase method,the optical transfer function of the circular pupil system can be easily obtained from the optical transfer function of the rectangular pupil system by modifying the cut-off frequency and the on-axial modulation transfer function.Finally,a system with a cubic phase mask is used as an example to illustrate the way to achieve the optical transfer function of the circular pupil system from the rectangular pupil system.     

倾斜入射的波前编码系统的点扩散函数扩大效应分析

通过对坐标系统进行旋转,计算得到了三次型波前编码系统的倾斜入射的光瞳函数,并给出了近似表达式. 分析表明倾斜入射会产生三次相位扩大效应和离焦扩大效应,它们和入射角的正负无关,且随着入射角绝对值的增大而增大. 这表现在点扩散函数(point spread function, PSF)上会扩展PSF包络的两条直角边,表现在调制传递函数(modulation transfer function, MTF)上会降低MTF值. 子午面倾斜入射时,子午方向的三次相位扩大效应和离焦放大效应大于弧矢方向,从而导致子午方向 关键词： 倾斜入射 波前编码 三次相位扩大效应 离焦扩大效应     

倾斜入射的波前编码系统的点扩散函数扩大效应分析

通过对坐标系统进行旋转，计算得到了三次型波前编码系统的倾斜入射的光瞳函数，并给出了近似表达式. 分析表明倾斜入射会产生三次相位扩大效应和离焦扩大效应，它们和入射角的正负无关，且随着入射角绝对值的增大而增大. 这表现在点扩散函数(point spread function, PSF)上会扩展PSF包络的两条直角边，表现在调制传递函数(modulation transfer function, MTF)上会降低MTF值. 子午面倾斜入射时，子午方向的三次相位扩大效应和离焦放大效应大于弧矢方向，从而导致子午方向