擴大景深的波前編碼系統(tǒng)成像特性研究.pdf

1、在大孔徑攝影術(shù)、生物三維顯微成像、光存儲、機器視覺等許多實際應(yīng)用中，在保持成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的同時擴大成像系統(tǒng)的景深范圍具有十分重要的價值。研究者們提出了多種景深延拓的方法，其中擴大景深的波前編碼成像技術(shù)由于其獨特的優(yōu)點成為了目前研究的前沿。
　　波前編碼成像技術(shù)將光學(xué)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，通過相位掩膜板對被攝物體進行編碼，即使得光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)和點擴散函數(shù)對離焦像差不敏感，避免部分空間頻率的丟失。成像時在各離焦位置得

2、到模糊的中間圖像，再對所得的中間圖像進行解碼，恢復(fù)出清晰圖像。從而達到在保證系統(tǒng)的光通量和成像分辨率的情況下，實現(xiàn)增大景深的目的。同時還可以抑制球差、色差、象散、匹茲凡面彎曲以及由安裝誤差和溫度變化引起的離焦帶來的像差。波前編碼系統(tǒng)具有傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)一些無法獲得的優(yōu)越的成像性能，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
　　波前編碼成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在成像過程中存在本質(zhì)不同，其成像特性與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)成像特性也存在諸多差異，本文從空間域和頻率域兩

3、個方面利用維格納分布函數(shù)（Wigner Distribution Function）、菲涅耳積分（Fresnel Integral）和科紐螺線（Cornu Spiral）的圖解方法等數(shù)學(xué)工具對擴大景深的波前編碼成像系統(tǒng)的一些重要特性進行了闡述和分析，并對波前編碼系統(tǒng)的相位板參數(shù)優(yōu)化提出了新的評價準(zhǔn)則，主要包括以下四部分：
　　(1)從空間域上利用維格納分布函數(shù)對波前編碼成像系統(tǒng)點擴散函數(shù)的“平移不變”特性進行了研究，分析比較了在幾

4、種不同形式相位板下系統(tǒng)點擴散函數(shù)的差異。同時使用點擴散函數(shù)近似解析表達式分析了三次相位板波前編碼系統(tǒng)點擴散函數(shù)的邊界、帶寬與振蕩等特性；
　　(2)從頻率域上利用菲涅耳積分表示出三次相位板波前編碼系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的精確表達式，分析了三次相位板的空間濾波特性，并給出了系統(tǒng)有效帶寬公式。同時利用科紐螺線的圖解方法從一個全新視角——幾何上說明了波前編碼系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)對離焦像差的不敏感性；
　　(3)提出了相位板參數(shù)優(yōu)化新的評價準(zhǔn)

5、則，即基于希爾伯特空間角的相位板參數(shù)優(yōu)化方法。此方法在兼顧圖像恢復(fù)過程中所需的信噪比的同時，使點擴散函數(shù)在各離焦位置具有較高的一致性；
　　(4)給出了一個設(shè)計實例，在三次相位板上應(yīng)用基于希爾伯特空間角的相位板參數(shù)優(yōu)化方法獲得的最佳相位板參數(shù)使系統(tǒng)焦深擴展了10倍。分別在空間域及頻率域上分析應(yīng)用波前編碼技術(shù)前后光學(xué)系統(tǒng)的成像特性，并利用最小二乘數(shù)字濾波和維納濾波對中間模糊圖像進行復(fù)原。仿真實驗結(jié)果表明使用該方法優(yōu)化得到的相位板參數(shù)