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.     

波前编码系统景深延拓性能研究

波前编码景深延拓技术是在非相干光学系统的出瞳处加入三次位相板,对成像进行解码处理而获得清晰图像以扩大光学系统景深的技术.文章通过深入研究波前编码光学成像系统的调制传递函数(MTF),分析离焦量和位相板的调制系数对MTF的影响,并通过数值计算和曲线拟合得到位相板调制系数、系统带宽、景深延拓性能之间的关系.该研究成果为位相板的调制系数的选择和景深延拓光学系统的设计提供依据. 关键词： 波前编码 景深延拓 调制传递函数 三次位相板     

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。     

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.     

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。     

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.     

对数位相编码系统多色光成像特性研究

位相编码技术是在非相干光学系统的出瞳处加入位相板,使得图像传感器上得到的图像对景深不敏感,通过对图像进行解码而获得清晰图像,实现扩大光学系统景深.文章针对对数位相板编码系统,分析了系统与波长相关的两个因素:位相板的位相调制量和系统色差,通过对比在不同离焦量和色差情况下两种波长的点扩散函数(point spread fu...     

色散型光谱仪采样调制传递函数及对高斯型光谱谱线的影响

光电探测器参数的选择对色散型光谱仪性能具有重要影响,有必要对光谱仪中光电探测器的离散采样过程进行深入探讨.文章从频率域的角度出发,建立了采样模型,探讨了输入余弦信号的空间频率、光电探测器采样的像元宽度及像元的初始相位对采样结果的影响.引入取整函数,给出了统一的采样调制传递函数表达式,提出并计算了平均采样调制传递函数,消去了初始相位的影响,便于实际应用.对于色散型光谱仪光学系统产生的典型高斯型光谱谱线,将高斯谱线的傅里叶变换与平均采样调制传递函数相乘,得出了光谱仪整系统的调制传递函数表达式.在频率域分析了采样过程的平均混叠误差与空间频率的关系,研究了平均混叠误差极大值与高斯光谱谱线宽度的关系,并给出了要精确恢复谱线所需谱线宽度的阈值.该阈值对于光谱仪系统的光学参数选择有重要的参考意义.     

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。     

点扩散函数选取对波前编码图像复原影响的实验研究北大核心CSCD

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。     

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.     

Analytical and experimental demonstration of depth of field extension for incoherent imaging system with a standard sinusoidal phase mask

The wavefront coding technique is used to enlarge the depth of field（DOF）of incoherent imaging systems. The key to wavefront coding lies in the design of suitable phase masks.To date,numerous kinds of phase masks are proposed.However,further understanding is needed regarding phase mask with its phase function being in a standard sinusoidal form.Therefore,the characteristics of such a phase mask are studied in this letter.Deriving the defocused optical transfer function（OTF）analytically proves that the standard sinusoidal phase mask is effective in extending the DOF,and actual experiments confirm the numerical results.At the same time,with the Fisher information as a criterion,the standard sinusoidal phase mask shows a higher tolerance to focus errors（especially severe focus errors）than the classical cubic phase mask.     

Focal depth extending using rotational symmetric pupil masks

Optical systems are analyzed with three kinds of rotational symmetric pupil masks: annular Gaussian ring mask, supergaussian ring mask, and quartic phase mask. In these masks, the quartic phase mask is found to be the best one to extend focal depth. Point spread function (PSF) and Strehl ratio (SR) are used to evaluate the imaging quality of the system with different defocus parameters. Without decoding needed, the focal depth of the system with quartic phase mask is four times as deep as aberration-free system. Different from the others, it suffers no obvious loss in the light throughput and lateral resolution.With twice focal depth extension, supergaussian ring mask suffers less loss in light throughput and lateral resolution than annular Gaussian ring mask.     

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。     

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.     

Analyzing wavelength behavior of a cubic phase mask imaging system based on modulation transfer function

The wavefront coding technology is an effectively method for extending the depth of field. However, the phase delayed by the phase mask changes with light wavelength, and the chromatic aberration is caused by chromatic dispersion of the optical elements. The modulation transfer function (MTF) of the cubic phase mask (CPM) system is derived with considering the axial chromatic aberration and optical path difference variation with wavelength, and the wavelength behavior of CPM system is analyzed in details. We yield that the MTF is approximately wavelength invariant within a certain frequency bandwidth, and the bandwidth is nearly inverse proportional to wavelength and varies with axial chromatic aberration. The effect induced by dispersion of the CPM material is very weak. If the CPM system is illuminated by wideband spectral light and the ACA exists, then the frequency bandwidth may become narrower than the monochromatic case, and the position of image sensor can be relocated to balance frequency bandwidth among all wavelengths.