擴(kuò)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(chǔ)、機(jī)器視覺(jué)等許多實(shí)際應(yīng)用中，在保持成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的同時(shí)擴(kuò)大成像系統(tǒng)的景深范圍具有十分重要的價(jià)值。研究者們提出了多種景深延拓的方法，其中擴(kuò)大景深的波前編碼成像技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)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(guò)相位掩膜板對(duì)被攝物體進(jìn)行編碼，即使得光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對(duì)離焦像差不敏感，避免部分空間頻率的丟失。成像時(shí)在各離焦位置得

2、到模糊的中間圖像，再對(duì)所得的中間圖像進(jìn)行解碼，恢復(fù)出清晰圖像。從而達(dá)到在保證系統(tǒng)的光通量和成像分辨率的情況下，實(shí)現(xiàn)增大景深的目的。同時(shí)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(lái)的像差。波前編碼系統(tǒng)具有傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)一些無(wú)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(guò)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(gè)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(duì)擴(kuò)大景深的波前編碼成像系統(tǒng)的一些重要特性進(jìn)行了闡述和分析，并對(duì)波前編碼系統(tǒng)的相位板參數(shù)優(yōu)化提出了新的評(píng)價(jià)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(duì)波前編碼成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的“平移不變”特性進(jìn)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(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的差異。同時(shí)使用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)近似解析表達(dá)式分析了三次相位板波前編碼系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)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(dá)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(shí)利用科紐螺線的圖解方法從一個(gè)全新視角——幾何上說(shuō)明了波前編碼系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)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(píng)價(jià)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(guò)程中所需的信噪比的同時(shí)，使點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)在各離焦位置具有較高的一致性；
　　(4)給出了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)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(kuò)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(duì)中間模糊圖像進(jìn)行復(fù)原。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用該方法優(yōu)化得到的相位板參數(shù)