用于景深延拓的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱相位板特性研究與新的設(shè)計(jì).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(duì)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(huì)變得模糊，從而引起細(xì)節(jié)、紋理的丟失。減小系統(tǒng)的相對(duì)孔徑可以在一定程度上達(dá)到擴(kuò)展景深的目的，但是這樣做的代價(jià)卻是系統(tǒng)分辨率的降低。1995年，美國(guó)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(kuò)展景深時(shí)所遇到的困境。通過(guò)在

2、孔徑平面上引入一個(gè)合適的相位掩模板，成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就會(huì)對(duì)離焦參量以及引起離焦的因素，如外界溫度變化、系統(tǒng)機(jī)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(kuò)展。
　　 波前編碼成像技術(shù)主要由光學(xué)設(shè)計(jì)以及數(shù)字圖像復(fù)原兩個(gè)方面組成。性能優(yōu)良的相位掩模板加上強(qiáng)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(xiàng)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(duì)稱型和非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型兩大類。由于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型相

3、位板具有更加優(yōu)秀的景深擴(kuò)展能力，所以這類相位板成為了研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，而本文也正是以非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型相位板為核心來(lái)開(kāi)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(gè)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(duì)主流非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型相位板在景深擴(kuò)展能力、對(duì)初級(jí)像差的敏感性、點(diǎn)擴(kuò)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(gè)方面進(jìn)行了數(shù)值分析，并且以大量翔實(shí)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(píng)價(jià)體系原型。尤其值得一提的是，在已有的研究文獻(xiàn)中，幾乎鮮有加工精度對(duì)相位板性能所帶來(lái)影響的討論，而本文的工作很好地彌補(bǔ)這個(gè)不足。
　　 第二，提出了一種基于多項(xiàng)式面型擬合的方法，可以用來(lái)簡(jiǎn)化波前編碼成像系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的離焦傳遞函數(shù)解析表達(dá)式的計(jì)算，而這對(duì)于不適用由E．R．Dowski博士所提出的經(jīng)典計(jì)算方法的相位板而言正好是一種有益的補(bǔ)充。
　　 第三，在充分考察已有相位板特性以及面型特點(diǎn)

5、的基礎(chǔ)上，本文提出了幾種包括改進(jìn)的對(duì)數(shù)型相位板、中心相位補(bǔ)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(shí)驗(yàn)上證明它們也具有良好的景深擴(kuò)展能力。此外，本文還首次對(duì)文獻(xiàn)中鮮有提及的三角函數(shù)型相位板的特性進(jìn)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(kuò)展景深，而且同時(shí)能夠作為添加分量來(lái)改善其他類型相位板的性能。
　　 第四，以自行設(shè)計(jì)的低成本、低質(zhì)量單鏡頭波前編碼成像系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)波前編碼成像技術(shù)的有效