景深延拓波前编码系统理论及其应用研究

【摘要】： 鉴于大景深成像系统有着很多的优点，对于成像光学系统，除个别情况(例如摄影中的特写镜头等)外，都希望得到尽可能大景深的光学系统。因此研究者们提出了多种焦深延拓的方法。其中波前编码的光学系统景深延拓技术由于其独特的优点成为了目前研究的前沿。 波前编码技术是由在光学系统的光瞳面插入一块特殊的相位掩模板对光学系统的波前进行调制，使得在较大的景深范围内，其光学传递函数(OTF)或者点扩散函数(PSF)不变或对物距变化不敏感，从而在探测器上形成差异极小的模糊的中间成像，并且这些中间图像可以通过数字滤波的手段恢复成清晰的最终成像。该技术创造性地将光学设计和数字图像处理相结合在一起，不仅可以大幅度地增加光学系统的景深，而且能够校正由各种原因的离焦引起的像差，如球差、色差、像散、匹兹凡像面弯曲、畸变、以及由制造安装误差和温度变化引起的离焦像差。获得了传统光学系统无法获得的优越的成像性能，具有非常广泛的应用前景。 文章首先提出了三种不同的波前编码相位掩模板的优化设计方法：基于Strehl比的波前编码相位掩模板参数优化方法；基于光学传递函数稳定性的波前编码相位掩模板参数的简单优化方法；基于PSF的波前编码相位掩模板参数的优化方法进行相位掩模板的参数优化和模拟计算。并且选取了一个双胶合镜头作为波前编码研究的目标系统，分别用以上三种方法加以模拟设计计算。并对加相位板和未加相位板得到的图像进行了比较分析。模拟结果表明，三种方法都便捷易行，具有现实的可操作性，并且优化得到的相位板对改善系统成像质量、增加景深方面都有较好的效果。 然后，应用模糊函数和稳相法理论首次导出三次型相位板波前编码系统的点扩散函数近似解析式，并在此基础上，描述了点扩散函数的边界、带宽与振荡等特性，分析了波前编码系统对离焦、像散、慧差等常见像差的敏感性，从而从空间域进一步分析了理解波前编码系统的成像特性。另外，从几何光学途径使用光线追迹方法得到适用于任意面型相位板的光线像差近似表达式，分析了奇对称型相位板波前编码系统的点列图特性，主要包括点列图的大小、边界以及光线结构三个方面。从几何光学分析得到的结果与通过傅里叶光学分析得到的结果十分吻合。通过对奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图特性分析，有助于进一步的理解波前编码技术。 本文将不同物距下PSF相似性的评价函数Fisher Information首次应用到波前编码实际光学系统相位板的优化设计中。在F#=3，EFL=100mm的无穷远成像的双胶合系统的基础上，设计得到了波前编码双胶合系统。模拟结果和实验结果均表明：双胶合系统的PSF与成像物距不敏感，可以将清晰成像的物距范围从10m到无穷远扩展到5m到无穷远，使得光学系统景深得到很大的延拓。 论文最后还将波前编码技术应用于显微镜系统的成像研究。模拟实验用同一块相位板可以分别对10X、60X和100X的显微物镜进行编码，然后经过简单的Wiener滤波对中间图像解码后得到最终清晰图像。模拟结果表明，加入相位板的波前编码显微镜系统不但它们的景深范围分别延拓到-20um～20um、-8um～8um、-0.5um～2um，而且有效地校正了轴外像差。