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。     

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。     

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.     

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.     

波前编码双共轭梯度平方稳定解码算法及其TMS320DM642平台的实现

波前编码是一种新型的光学-数字混合二步成像系统,采用三次光学编码相位板可以得到系统的非对称点扩散函数和相当景深内模糊程度一致的中间图像.本文利用空间域光学成像模型,结合反镜像边界束缚条件以及矩阵的直积分解,提出一种基于双共轭梯度平方稳定算法(Bi-CGSTAB)的图像复原算法实现波前编码系统的数字解码.该算法具有计算量小、计算速度快,几乎没有边界效应等优点.在此基础上结合TMS320DM642平台并行计算的特点,将新的算法重新优化并移植到TMS320DM642平台上.整个平台由图像采集模块、图象显示模块以及外部存储器等模块组成.通过专门设计的光学系统,分别对物距为1m、5m和10m处的物体以及人像进行成像.对中间模糊像的恢复实验结果表明,新的算法在TMS320DM642平台上图像复原速度快,效果好,为波前编码系统的真正便携和实用提供了可能.     

波前编码双共轭梯度平方稳定解码算法及其 TMS320DM642平台的实现

波前编码是一种新型的光学-数字混合二步成像系统,采用三次光学编码相位板可以得到系统的非对称点扩散函数和相当景深内模糊程度一致的中间图像.本文利用空间域光学成像模型,结合反镜像边界束缚条件以及矩阵的直积分解,提出一种基于双共轭梯度平方稳定算法(Bi-CGSTAB)的图像复原算法实现波前编码系统的数字解码.该算法具有计算量小、计算速度快,几乎没有边界效应等优点.在此基础上结合TMS320DM642平台并行计算的特点,将新的算法重新优化并移植到TMS320DM642平台上.整个平台由图像采集模块、图象显示模块以及外部存储器等模块组成.通过专门设计的光学系统,分别对物距为1m、5m和10m处的物体以及人像进行成像.对中间模糊像的恢复实验结果表明,新的算法在TMS320DM642平台上图像复原速度快,效果好,为波前编码系统的真正便携和实用提供了可能.     

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。     

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。     

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。     

Wide viewing angle skewed effect of the point spread function in a wavefront coding system

The point spread function (PSF) of a wavefront coding (WFC) system with a cubic phase mask is analyzed with a wide viewing angle based on physical optics for what is believed to be the first time. Two coordinate transformations are made to generate a pupil function, from which we obtain the encoded PSF of the WFC system with defocus parameters W(020) and object angles alpha and beta. The encoded PSFs are further side extended as the object angles get wider. When alphabeta<0, the included angle ? of encoded PSF will skew to an obtuse angle. When alphabeta=0, ? remains orthogonal; when alphabeta>0, ? will skew to an acute angle. Furthermore, the effect of skew and side extension is even symmetric about W(020). As a result, the wide viewing angle has a bad effect on the imaging quality of the WFC system.     

Depth from diffracted rotation

The accuracy of depth estimation based on defocus effects has been essentially limited by the depth of field of the imaging system. We show that depth estimation can be improved significantly relative to classical methods by exploiting three-dimensional diffraction effects. We formulate the problem by using information theory analysis and present, to the best of our knowledge, a new paradigm for depth estimation based on spatially rotating point-spread functions (PSFs). Such PSFs are fundamentally more sensitive to defocus thanks to their first-order axial variation. Our system acquires a frame by using a rotating PSF and jointly processes it with an image acquired by using a standard PSF to recover depth information. Analytical, numerical, and experimental evidence suggest that the approach is suitable for applications such as microscopy and machine vision.     

轴锥镜成像系统的点扩散函数分析

为了使大景深光学镜头在工业视觉检测中的测量结果更准确,必须对中间图像进行复原,点扩散函数是图像复原的关键。根据轴锥镜最大无衍射距离公式设计了无衍射成像系统,以标量衍射理论为基础,在频域范围内利用稳定相法推导出系统的点扩散函数公式。利用准单色光理论,分析非相干光照明下的点扩散函数与锥镜夹角和离焦量的关系。仿真和实验结果表明:轴锥镜夹角越大,点扩散函数中心光强越强,衍射条纹越密;离焦像差对点扩散函数的影响与之相反。     

Software lens compensation applied to athermalization of infrared imaging systems

A different approach, aiming to achieve the constant blur status of point-spread function (PSF) at a certain defocused plane, is described. The correlation between the two PSF is used to control the PSF blur similarity, and simultaneously the Strehl ratio is also used to control the PSF blur minimization. By designing the PSF so that it is significantly insensitive to defocus or related defocus quantity, for example, due to temperature change, all the constantly blurred images can be accurately de-blurred by a simple inverse restoration filter for an adequate range of defocus. We refer to that as “software lens compensation” and apply a design method to solve the athermalization of middle wavelength infrared (MWIR) imaging systems. The resultant PSF is almost invariant in the temperature range from −10 to 50°C at the same focal plane. Consequently, the constant blur spot can be removed by a simple digital signal processing. Thus, clear and sharp de-blurred images at different temperatures are obtained.     

Three-dimensional superresolution in two-color excitation fluorescence microscopy using theta illumination method

In two-color excitation fluorescence (2CE) theta microscopy, the point spread function (PSF) of the system is the product of the two PSFs of both excitation beams and due to the ellipsoidal shape of the PSFs, the axial width of the PSF of one excitation beam is strongly reduced after multiplication with the lateral section of another PSF in nonconfocal theta microscopy. Taking the advantages of this setup, we propose using two leaky filters inserted in the two illumination arms, respectively, to compress its own lateral width of each PSF; it means, the lateral and axial superresolution (three-dimensional superresolution) of the whole system in 2CE theta microscope with two orthogonal illumination beams are realized.     

基于哈特曼-夏克波前传感器的模糊图像复原方法

离焦模糊图像的清晰度较低,因此必须对其进行复原。传统方法通常采用圆盘或高斯函数来近似离焦造成的点扩散函数,复原效果不够理想。为此,提出利用哈特曼-夏克波前传感器探测离焦波前,根据所得波前计算光学系统的点扩散函数,并采用Richardson-Lucy算法对模糊图像进行复原。搭建了实验用的光学系统,采集了离焦模糊图像以及相应的波前信息,获得了清晰的复原图像,并利用客观图像评价方法对退化图像和复原图像进行了评价,同时与传统方法得到的复原图像进行了比较。实验结果表明,该方法能精确重建点扩散函数,有效提高图像的质量。     

Blind restoration of real turbulence-degraded image with complicated backgrounds using anisotropic regularization

This paper proposes a novel blind image restoration method based on estimating the point-spread functions by using two real turbulence-degraded images as input. The non-negative constraint and the spatial correlation are transformed mathematically into the penalty terms and added to the objective function. An anisotropic and nonlinear regularization function is proposed to adequately punish the differences of the point spread functions (PSFs) in the process of optimization estimation. Some definitions of weighted second-order differences are given and a fast method to construct the matrix of second-order weighted gradient operator is derived. The PSF values can be quickly estimated. With the estimated PSFs, the true images can be recovered by non-blind restoration methods. Experiment results for the restoration of real turbulence-degraded images with complicated backgrounds support the effectiveness of this proposed method.     

数值模拟快中子针孔成像系统的PSF

采用蒙特卡罗方法对中子针孔成像系统进行了点扩展函数（PSF）的模拟研究, 利用高斯拟合的数学方法分析比较了几种不同条件下该系统的PSF。 研究结果表明, 在偏离量较小时, 利用高斯拟合得到的中子针孔成像系统的PSF是可行的, 而采用挡板可以很显著地减少拟合误差和提高其空间分辨率。 The point spread function (PSF) of a pinhole imaging system for fast neutron has been studied through Monte Carlo method. The PSFs under different conditions have been obtained and analyzed by fitting the simulating data with Gauss function. As the results show, when the excursion is little, the PSF obtained by Gauss function fitting is feasible. A baffle will reduce the error and improve the spatial resolution remarkably.     

中子针孔成像点扩展函数模拟研究

应用Geant4系统对中子针孔成像的点扩展函数进行了模拟研究.建立了点扩展函数的数学模型,并将其分布图像与能量沉积数据的分布图像作了比较,可看出点扩展函数与能量沉积数据吻合得较好.研究结果表明,在一定偏移量范围内,拟合得到的点扩展函数更好,能得到较好的图像分辨率.通过对不同入射能量在一定偏移量入射下的点扩展函数讨论认为,入射能量增大虽然会增强图像的对比度,但会降低分辨率.     

用神经网络鉴别退化图像的模糊类型

提出了一种用神经网络鉴别退化图像的模糊类型的方法。由于采用不同降质方法得到退化图像的频谱差异较大,以此作为判别依据,用概率神经网络实现了对四种模糊类型:离焦,矩形,运动和高斯模糊的鉴别。根据神经网络的鉴别结果决定点扩散函数的初始估计值,可大大地提高盲解恢复算法的复原质量和系统点扩散函数的估计精度,扩大了算法的实用范围。