大焦深系統(tǒng)的成像特性及設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、自由曲面用于矯正像差，提高光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量是光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)重要的發(fā)展方向。波前編碼技術(shù)-Wavefront coding（以下簡(jiǎn)稱(chēng)WFC）是較為獨(dú)特的一種將自由曲面用于成像光路以提高成像質(zhì)量的方法。其將光學(xué)與近代數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，在光學(xué)系統(tǒng)焦深擴(kuò)展方面有重要的技術(shù)突破。該技術(shù)創(chuàng)造性地將光學(xué)與近代數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)在孔徑光闌或者出瞳位置插入一塊特殊的相位掩模板，在光瞳函數(shù)上附加一個(gè)特定的相位分布，使得在較大的焦深范圍內(nèi)，

2、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幻舾校瑥亩谔綔y(cè)器上形成差異極小的模糊的中間圖像，再通過(guò)后續(xù)的數(shù)字濾波手段對(duì)中間圖像進(jìn)行解碼，恢復(fù)成清晰的最終圖像。WFC技術(shù)不僅在光學(xué)系統(tǒng)焦深擴(kuò)展方面有重大的技術(shù)突破，而且能很好的控制離焦及離焦相關(guān)像差，同時(shí)也可以校正系統(tǒng)制造安裝誤差和溫度變化引起的像面離焦。
　　 本文在深入研究波前編碼自由曲面設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了三次面型自由曲面（即三次位相板）的實(shí)際

3、應(yīng)用問(wèn)題，并在多種光學(xué)系統(tǒng)中成功應(yīng)用自由曲面以增大光學(xué)系統(tǒng)焦深。由于該技術(shù)涉及光學(xué)及數(shù)字兩個(gè)領(lǐng)域，因此本文還重點(diǎn)研究了應(yīng)用中的信噪比問(wèn)題。根據(jù)人眼信噪比模型，給出了適合本技術(shù)應(yīng)用的頻率信噪比模型。本文研究對(duì)于深入拓展波前編碼技術(shù)的應(yīng)用較有理論和實(shí)踐意義。
　　 主要工作如下：
　　 1.完成了三次自由曲面在雙高斯照相物鏡中的應(yīng)用設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)系統(tǒng)光闌位置加入三次位相板，經(jīng)優(yōu)化后，即可在焦平面附近得到滿(mǎn)意的光斑分布。擴(kuò)展焦深

4、范圍在5倍左右；創(chuàng)新性地在紅外折反系統(tǒng)中加入三次位相板，解決系統(tǒng)溫度離焦問(wèn)題。模擬結(jié)果表明，在常規(guī)使用環(huán)境-40°～+60°下，三次自由曲面較好解決了紅外系統(tǒng)溫度離焦問(wèn)題，在兩個(gè)極限溫度下，系統(tǒng)MTF的一致性達(dá)到95％；將三次位相板用于由三塊反射鏡組成的離軸三鏡消像散系統(tǒng)（TMA系統(tǒng)）中，所設(shè)計(jì)的TMA系統(tǒng)地面分辨率達(dá)到了米級(jí)，覆蓋寬度為幾十公里，解決以往主動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)可靠性差的問(wèn)題。減小了系統(tǒng)尺寸，使相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，利于實(shí)現(xiàn)輕量化。

5、>　　 2.研究了三次自由曲面加工公差對(duì)系統(tǒng)成像結(jié)果的影響。采用的自由曲面元件屬于無(wú)光焦度元件，因此除了面形不規(guī)則以及偏心外，其它各項(xiàng)公差對(duì)系統(tǒng)MTF的影響都非常小。
　　 3.借鑒人眼可分辨信噪比的概念，提出了一種用于分析波前編碼系統(tǒng)性能的信噪比模型，該模型具有直觀性。仿真分析結(jié)果表明，該信噪比完全能夠真實(shí)反映系統(tǒng)性能。并可以作為設(shè)計(jì)過(guò)程中較為有力的評(píng)價(jià)參數(shù)。
　　 4.設(shè)計(jì)、搭建WTC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。保持景深位置不變，像