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     

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。     

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     

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。     

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。     

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...     

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...     

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.     

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.     

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。     

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.     

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％。     

适用于波前处理器的自适应光学系统非共光路像差补偿方法

提出了一种适合硬件形式波前处理器的非共光路像差校正方法.讨论了非共光路像差的产生原因和运用相位差异技术检测非共光路像差的方法.根据波前处理器的工作流程,推导了将非共光路像差折算到波前探测器参考点偏移量的算法,编写了实现算法的主控计算机软件模块.在望远镜光路中以光源为目标开展实验,用本文算法校正后,目标能量集中度提高了17.6%,证明了该方法的可行性.