CN101510011B - 一种复合相位掩模板及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合相位掩模板，其特征在于：所述的复合相位掩模板的相位分布函数包含指数型和一次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)的函数式如下：θ(x，y)＝α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)+κ·(x+y)，式中，α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)为指数型函数，κ·(x+y)为一次方型函数；其中，α、β为指数函数调制因子，κ为相位调制因子，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。本发明还公开了一种采用指数型和一次方型两种函数复合的复合相位掩模板的成像系统，该成像系统可以明显地改善采用指数型相位分布函数掩模板成像系统所固有的相位传递函数偏移现象。

Description

一种复合相位掩模板及成像系统

技术领域

本发明涉及一种相位掩模板，尤其涉及一种指数型和一次方型两种函数复合的复合相位掩模板。

背景技术

在传统的成像系统中，缩小相对孔径是扩展景深的有效方法，但这会导致系统分辨率降低，与高质量成像的目的相背。而利用波前编码技术制作的非球面掩模板，可使物体目标经过加了掩模板的光学系统后形成一个对离焦不敏感的模糊的中间像，然后对中间像进行数字图像处理后得到聚焦清晰的图像，从而实现扩展景深的目的。

非球面掩模板的目的是对波面相位加以改变，其核心是相位分布函数。1995年，美国科罗拉多大学的E.R.Dowski等人将雷达领域里使用的模糊度函数和离焦光学传递函数结合起来提出了波前编码成像技术，并推导出了经典的三次方相位分布函数掩模板，2001年，该小组通过将静态相位法应用于推导离焦不变点扩散函数的过程中，从而又得到了另外一种可以用于景深延拓的对数相位分布函数相位板；2004年，Ojeda-CastanedaJorge研究小组提出了用于扩展光学系统景深的高次方相位分布函数掩模板；同年，S.Prasad等人提出了光瞳相位工程PPE(Pupil Phase Engineering)的概念，获得了改进的三次方分布的相位分布函数掩模板，并且也研究了多种相位掩模板的优化方法；2007年，中科院上海光机所的阳国庆等人使用维纳函数在频域对波前编码系统的特性进行了相关研究，同时提出了指数型相位分布函数掩模板。

根据相位分布函数可以确定掩模板的物理结构，如美国罗切斯特光学中心的Wanli Chi的博士论文“Computational Imaging System for ExtendedDepth of Field”第四章“Lens Design and Fabrication”即全面介绍了根据相位分布函数确定掩模板面形的方法。又例如在中国发明专利200410018159.2中公开了一种离散连续混合相位型相位板及其实现超分辨的方法，该相位板的相位函数包含两个部分：一部分为连续分布相位板，另一部分为台阶型相位板。将相位分布函数中的连续变化部分用连续变化的波面进行等效替代，而相位分布函数中按分区变化的部分用台阶型相位板替代，以实现较优越的超分辨性能。

采用相位掩膜板后，可使光学系统在较大的离焦范围内其调制传递函数值变化很小(即对离焦不敏感)，同时系统的传递函数在通频带内没有零点或近零点。这意味着，当系统存在离焦时，超出原始系统景深范围的信息并没有丢失，只是以一种已知的方式被编码而已，之后通过一定的数字图像复原算法就可以被有效地恢复。同时，由于相位掩模板只是对孔径平面内的成像光线的相位进行编码，对系统的通光量和分辨率从理论上来讲都不会造成影响。

波前编码成像技术通过将图像复原与光学设计相结合，在不过度牺牲光学系统分辨率和通光量的前提下可以有效地扩大光学系统的景深。科研工作者做了大量的理论分析以及实验研究，肯定了波前编码成像技术所具有的强大威力，证明并且验证了景深提高10倍的效果。这种光/数混合成像技术打破了传统光学系统在扩展景深时的固有的限制，是一种非常有实用化前景的成像技术，受到广泛的关注。

发明内容

本发明提供了一种能补偿相位传递函数偏移效应的复合相位掩模板。

一种复合相位掩模板，所述的复合相位掩模板的相位分布函数包含指数型和一次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)的函数式如下：

θ(x，y)＝α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)+κ·(x+y)

式中，α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)为指数型函数，κ·(x+y)为一次方型函数；其中，α、β为指数函数调制因子，κ为相位调制因子，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。

其中，作为优选，指数函数调制因子α取值大于30，β取值在1和3之间。κ为相位调制因子，为负值时使系统相位传递函数向左偏移，为正值时使系统相位传递函数向右偏移，κ值的大小可以根据需要设定。

在各种形式相位分布函数的相位掩模板中，指数型相位掩模板对于球差、慧差、像散等像差均有较好的抑制效果，但存在着相位传递函数偏移效应较大的缺点。而对于本发明的复合相位掩模板，在其相位分布函数中添加一次方型函数后，随着调制因子强度的改变，相位传递函数将发生可控的偏移，从而实现相位传递函数偏移的补偿。

一种成像系统，由成像镜头、复合相位掩模板、图像探测器、图像处理单元组成。

所述的复合相位掩模板的相位分布函数包含指数型和一次方型两种函数，函数式如下：

θ(x，y)＝α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)+κ·(x+y)

式中，α、β为指数函数调制因子，κ为相位调制因子，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。

在成像系统中，成像目标通过成像镜头和相位掩模板后，在图像探测器上形成模糊的中间像，然后图像处理单元对中间像进行去卷积处理，最终得到聚焦清晰的图像。

成像镜头可以采用现有的各种成像镜头。图像探测器可以采用CCD等。

本发明一种成像系统在传统的光学成像系统中增加了一块相位掩模板，放置在光瞳上。当光路通过此相位掩模板后，光信息被编码，即光学系统在较大的离焦范围内其调制传递函数值变化很小(即对离焦不敏感)，同时系统的传递函数在通频带内没有零点或近零点。这意味着，当系统存在离焦时，超出原始系统景深范围的信息并没有丢失，只是以一种已知的方式被编码。成像在CCD上的是一幅模糊图像，用数字信号处理系统对它进行去卷积解码，从而恢复出锐利清晰的图像。

各种相位板或多或少都存在着相位传递函数的偏移效应，即系统相位传递函数在像面上与理想中心位置有一定的偏差。这种偏移效应的存在使得即便是成像光线在正入射的条件下，实际成像视场与拟成像视场之间也会有所不同。研究表明，当不同准则下的相位板面型设计达到最优时，采用指数型相位板成像系统的相位传递函数偏移效应是较大的。本发明一种复合相位掩模板对指数型相位板进行了有限的改进，随着相位调制因子强度的改变，系统相位传递函数发生可控的变化，实现偏移效应的补偿。

附图说明

图1是本发明一种成像系统的结构示意图；

图2是本发明复合相位掩模板的面形与指数型相位板的面形比较示意图；

图3是采用本发明的复合相位掩模板的成像系统和采用指数型相位掩模板的成像系统的相位传递函数曲线比较示意图。

具体实施方式

一种复合相位掩模板，复合相位掩模板的相位分布函数包含指数型和一次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)的函数式如下：

θ(x，y)＝α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)+κ·(x+y)

式中，α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)为指数型函数，κ·(x+y)为一次方型函数；其中，α、β为指数函数调制因子，κ为相位调制因子，取值分别为α＝30，β＝1.7，κ＝-135；x，y为孔径平面归一化的空间坐标。

本发明的一种复合相位掩模板的面形和指数型相位掩模板的面形比较参见附图2，本发明的一种复合相位掩模板的面形在附图2中用虚线表示，指数型相位掩模板的面形在附图2中用实线表示。

参见图1，本发明一种成像系统，由成像镜头2、复合相位掩模板3、图像探测器4、图像处理单元组成5。

成像目标1通过成像镜头2和复合相位掩模板3后，在图像探测器4上形成模糊的中间像，然后图像处理单元5进行去卷积处理，最终得到聚焦清晰的图像6。

复合相位掩模板的相位分布函数包含指数型和一次方型两种函数，可描述为：

θ(x，y)＝α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)+κ·(x+y)

式中，，α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)为指数型函数，κ·(x+y)为一次方型函数；其中，α、β为指数函数调制因子，取值为α＝30，β＝1；κ为相位调制因子，取值为κ＝-135；x，y为孔径平面归一化的空间坐标。

本发明采用复合相位掩模板的成像系统和采用指数型相位掩模板的成像系统的相位传递函数曲线比较参见附图3。

当κ等于零时，相位掩模板的相位分布函数就是指数型，即为指数型相位掩模板，其成像系统的相位传递函数曲线如附图3中的实线所示，可以很明显地看到系统相位传递函数在像面上的位置发生了重大的改变，即严重地偏离理想像面中心。而对κ进行优化选择后，取κ＝-135，相位掩模板的相位分布函数就是指数型和一次方型两种函数，即为本发明复合型相位掩模板，其成像系统的相位传递函数曲线如附图3中的虚线所示，系统的相位传递函数重新移动到了基本与理想像面中心重合。

由于一次方项不会对相位掩模系统的调制传递函数产生影响，所以针对其它类型的相位掩模板，也可用叠加一次方型分布函数的方法消除相位传递函数的偏移效应。

Claims (2)

1.一种复合相位掩模板，其特征在于：所述的复合相位掩模板的相位分布函数包含指数型和一次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)的函数式如下：

θ(x，y)＝α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)+κ·(x+y)

式中，α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)为指数型函数，κ·(x+y)为一次方型函数；其中，α、β为指数函数调制因子，κ为相位调制因子，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。

2.一种成像系统，由成像镜头、复合相位掩模板、图像探测器、图像处理单元组成，其特征在于：所述的复合相位掩模板的相位分布函数包含指数型和一次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)函数式如下：

θ(x，y)＝α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)+κ·(x+y)

式中，α、β为指数函数调制因子，κ为相位调制因子，x，y为孔径平面归一化的空间坐标；

在成像系统中，成像目标通过成像镜头和相位掩模板后，在图像探测器上形成模糊的中间像，然后图像处理单元对中间像进行去卷积处理，最终得到聚焦清晰的图像。

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