用于景深延拓的非旋轉對稱相位板特性研究與新的設計.pdf

1、眾所周知，任何成像系統(tǒng)都具有一定的景深，而與之所對應的概念在像空間中則被稱為焦深。只有景深范圍之內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，美國科羅拉多大學的E．R．Dowski博士等人提出了一種波前編碼成像技術，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)機械結構不穩(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。
　　 波前編碼成像技術主要由光學設計以及數(shù)字圖像復原兩個方面組成。性能優(yōu)良的相位掩模板加上強大的復原算法是波前編碼成像系統(tǒng)獲得驚人效果的關鍵所在。這項技術發(fā)展至今，可以用于景深延拓的相位板層出不窮，且可以分為旋轉對稱型和非旋轉對稱型兩大類。由于非旋轉對稱型相

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對稱型相位板為核心來開展相應的研究工作的。
　　 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、中間圖像的可恢復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，以自行設計的低成本、低質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的有效