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大景深光学成像系统的研究

莫绪涛  
【摘要】: 增大非相干光学成像系统的景深近年来一直是应用光学领域的研究热点,这是因为大景深光学成像系统可以应用于很多领域,比如可以应用于机器视觉、生物或医学显微成像、光学遥感等领域。 1960年Welford提出了利用环形孔径增大景深。自此以后,又涌现出了很多方法,比如,能量吸收切趾器法,序列图像融合法,特殊设计镜头结合图像后处理法,光瞳面内的相位模板结合图像后处理方法,三维全息等。当前活跃研究集中在普通光学成像系统中引入相位模板并结合数字图像复原技术来增大光学成像系统的景深。在光学部分,处在光瞳面处的相位模板改变成像波前从而得到不随离焦变化的中间图像;在图像处理部分,通过不依赖于聚焦状态的数字滤波器对中间的图像进行处理以得到大景深图像。 基于标量衍射理论建立了大景深成像系统的理论模型,研究了立方相位模板和指数相位模板对应系统的特性。从大景深成像系统实际所需要的景深、分辨率以及最小幅度传递函数MTF响应值出发,设计了相位模板的个性化优化设计模型。在设计景深、分辨率范围内,以保证系统的MTF值大于设定的最小MTF响应值为优化边界条件,以不同离焦对应的光学传递函数的Fisher信息的积分作为优化目标函数。对波前编码系统的立方相位模板CPM和指数相位模板EPM进行了几组优化设计。 基于非相干大景深光学成像系统的点扩散函数的离焦不变性,并利用稳相法积分近似方法,推导出四次多项式圆对称相位模板,并利用优化模型得到了几组优化参数。设计了一种新的由多个等面积环形区域组成的纯相位模板,相邻的环形分区用于交替补偿高斯物面两侧离焦。通过适当调整模板参数,可以使得系统景深达到原来的4倍以上。总结了方形孔径相位模板和圆对称型相位模板对应系统的优缺点。 研究了处在像差容限值范围内的初级像差对相位模板对应大景深成像系统的影响。基于频域滤波理论和大景深成像系统的光学传递函数,设计了大景深图像复原滤波器的表达式,可以实现对景深范围内得到的所有中间图像进行复原。最后,在光学设计软件Zemax中设计了利用文中几种相位模板的大景深光学成像系统。


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