用于景深延拓的非旋轉(zhuǎn)對稱相位板特性研究與新的設(shè)計.pdf

1、眾所周知，任何成像系統(tǒng)都具有一定的景深，而與之所對應(yīng)的概念在像空間中則被稱為焦深。只有景深范圍之內(nèi)的物體才能夠被清晰成像，而超出景深范圍的物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所形成的圖像將會變得模糊，從而引起細節(jié)、紋理的丟失。減小系統(tǒng)的相對孔徑可以在一定程度上達到擴展景深的目的，但是這樣做的代價卻是系統(tǒng)分辨率的降低。1995年，美國科羅拉多大學(xué)的E．R．Dowski博士等人提出了一種波前編碼成像技術(shù)，非常好地解決了傳統(tǒng)成像系統(tǒng)在擴展景深時所遇到的困境。通過在

2、孔徑平面上引入一個合適的相位掩模板，成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就會對離焦參量以及引起離焦的因素，如外界溫度變化、系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等變得非常不敏感，從而使系統(tǒng)景深得到了極大的擴展。
　　 波前編碼成像技術(shù)主要由光學(xué)設(shè)計以及數(shù)字圖像復(fù)原兩個方面組成。性能優(yōu)良的相位掩模板加上強大的復(fù)原算法是波前編碼成像系統(tǒng)獲得驚人效果的關(guān)鍵所在。這項技術(shù)發(fā)展至今，可以用于景深延拓的相位板層出不窮，且可以分為旋轉(zhuǎn)對稱型和非旋轉(zhuǎn)對稱型兩大類。由于非旋轉(zhuǎn)對稱型相

3、位板具有更加優(yōu)秀的景深擴展能力，所以這類相位板成為了研究的重點和熱點，而本文也正是以非旋轉(zhuǎn)對稱型相位板為核心來開展相應(yīng)的研究工作的。
　　 本文的主要工作可以概括為以下四個方面，而其中所使用的方法以及得到的結(jié)果就是文章創(chuàng)新性的直接體現(xiàn)。
　　 第一，首次在統(tǒng)一框架下對主流非旋轉(zhuǎn)對稱型相位板在景深擴展能力、對初級像差的敏感性、點擴散函數(shù)中心偏移效應(yīng)、中間圖像的可恢復(fù)性以及加工難度五個方面進行了數(shù)值分析，并且以大量翔實的數(shù)據(jù)

4、為基礎(chǔ)建立了波前編碼成像系統(tǒng)的性能評價體系原型。尤其值得一提的是，在已有的研究文獻中，幾乎鮮有加工精度對相位板性能所帶來影響的討論，而本文的工作很好地彌補這個不足。
　　 第二，提出了一種基于多項式面型擬合的方法，可以用來簡化波前編碼成像系統(tǒng)所對應(yīng)的離焦傳遞函數(shù)解析表達式的計算，而這對于不適用由E．R．Dowski博士所提出的經(jīng)典計算方法的相位板而言正好是一種有益的補充。
　　 第三，在充分考察已有相位板特性以及面型特點

5、的基礎(chǔ)上，本文提出了幾種包括改進的對數(shù)型相位板、中心相位補償型相位板以及疊加正弦分量型相位板在內(nèi)的新的相位板，并且從理論和實驗上證明它們也具有良好的景深擴展能力。此外，本文還首次對文獻中鮮有提及的三角函數(shù)型相位板的特性進行了深入的研究，并且發(fā)現(xiàn)三角函數(shù)型相位板不但可以用于擴展景深，而且同時能夠作為添加分量來改善其他類型相位板的性能。
　　 第四，以自行設(shè)計的低成本、低質(zhì)量單鏡頭波前編碼成像系統(tǒng)為實驗平臺，對波前編碼成像技術(shù)的有效