景深延拓波前編碼系統(tǒng)理論及其應(yīng)用研究.pdf

1、鑒于大景深成像系統(tǒng)有著很多的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)，除個(gè)別情況(例如攝影中的特寫鏡頭等)外，都希望得到盡可能大景深的光學(xué)系統(tǒng)。因此研究者們提出了多種焦深延拓的方法。其中波前編碼的光學(xué)系統(tǒng)景深延拓技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為了目前研究的前沿。 波前編碼技術(shù)是由在光學(xué)系統(tǒng)的光瞳面插入一塊特殊的相位掩模板對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的波前進(jìn)行調(diào)制，使得在較大的景深范圍內(nèi)，其光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)或者點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)不變或?qū)ξ锞嘧兓幻舾?，從而在探測(cè)器上

2、形成差異極小的模糊的中間成像，并且這些中間圖像可以通過數(shù)字濾波的手段恢復(fù)成清晰的最終成像。該技術(shù)創(chuàng)造性地將光學(xué)設(shè)計(jì)和數(shù)字圖像處理相結(jié)合在一起，不僅可以大幅度地增加光學(xué)系統(tǒng)的景深，而且能夠校正由各種原因的離焦引起的像差，如球差、色差、像散、匹茲凡像面彎曲、畸變、以及由制造安裝誤差和溫度變化引起的離焦像差。獲得了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)無法獲得的優(yōu)越的成像性能，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。 文章首先提出了三種不同的波前編碼相位掩模板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：

3、基于Strehl比的波前編碼相位掩模板參數(shù)優(yōu)化方法；基于光學(xué)傳遞函數(shù)穩(wěn)定性的波前編碼相位掩模板參數(shù)的簡(jiǎn)單優(yōu)化方法；基于PSF的波前編碼相位掩模板參數(shù)的優(yōu)化方法進(jìn)行相位掩模板的參數(shù)優(yōu)化和模擬計(jì)算。并且選取了一個(gè)雙膠合鏡頭作為波前編碼研究的目標(biāo)系統(tǒng)，分別用以上三種方法加以模擬設(shè)計(jì)計(jì)算。并對(duì)加相位板和未加相位板得到的圖像進(jìn)行了比較分析。模擬結(jié)果表明，三種方法都便捷易行，具有現(xiàn)實(shí)的可操作性，并且優(yōu)化得到的相位板對(duì)改善系統(tǒng)成像質(zhì)量、增加景深方面都

4、有較好的效果。 然后，應(yīng)用模糊函數(shù)和穩(wěn)相法理論首次導(dǎo)出三次型相位板波前編碼系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)近似解析式，并在此基礎(chǔ)上，描述了點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的邊界、帶寬與振蕩等特性，分析了波前編碼系統(tǒng)對(duì)離焦、像散、慧差等常見像差的敏感性，從而從空間域進(jìn)一步分析了理解波前編碼系統(tǒng)的成像特性。另外，從幾何光學(xué)途徑使用光線追跡方法得到適用于任意面型相位板的光線像差近似表達(dá)式，分析了奇對(duì)稱型相位板波前編碼系統(tǒng)的點(diǎn)列圖特性，主要包括點(diǎn)列圖的大小、邊界以及光線結(jié)構(gòu)

5、三個(gè)方面。從幾何光學(xué)分析得到的結(jié)果與通過傅里葉光學(xué)分析得到的結(jié)果十分吻合。通過對(duì)奇對(duì)稱型相位板波前編碼成像系統(tǒng)的點(diǎn)列圖特性分析，有助于進(jìn)一步的理解波前編碼技術(shù)。 本文將不同物距下PSF相似性的評(píng)價(jià)函數(shù)Fisher Information首次應(yīng)用到波前編碼實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)相位板的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。在F＃=3，EFL=100mm的無窮遠(yuǎn)成像的雙膠合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)得到了波前編碼雙膠合系統(tǒng)。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：雙膠合系統(tǒng)的PSF與成像物

6、距不敏感，可以將清晰成像的物距范圍從10m到無窮遠(yuǎn)擴(kuò)展到5m到無窮遠(yuǎn)，使得光學(xué)系統(tǒng)景深得到很大的延拓。論文最后還將波前編碼技術(shù)應(yīng)用于顯微鏡系統(tǒng)的成像研究。模擬實(shí)驗(yàn)用同一塊相位板可以分別對(duì)10X、60X和100X的顯微物鏡進(jìn)行編碼，然后經(jīng)過簡(jiǎn)單的Wiener濾波對(duì)中間圖像解碼后得到最終清晰圖像。模擬結(jié)果表明，加入相位板的波前編碼顯微鏡系統(tǒng)不但它們的景深范圍分別延拓到-20um～20um、-8um～8um、-0.5um～2um，而且有效地校