CN103235411A - 可拆分重组相位掩膜板及波前编码成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可拆分重组相位掩膜板及基于该相位掩膜板的波前编码成像系统，该可拆分重组相位掩膜板对应的相位掩膜函数是由具有相对位移量的两个余弦函数叠加而成，其一维函数表达式为：

其中；α，m1和m2是相位分布函数的参数；x为归一化坐标；x的取值范围为[-1，1]；偏移量m1和m2的取值范围均为[-1，1]。本发明提供了一种可有效扩大系统景深的可拆分重组相位掩膜板，以及基于该相位掩膜板的、离焦敏感度和带宽均可以进行调节的波前编码成像系统。

Description

可拆分重组相位掩膜板及波前编码成像系统

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种相位掩膜板及基于该相位掩膜板的波前编码成像系统。 

背景技术

扩展光学系统的景深一直都是学术界研究的热点，从20世纪80年代中期开始，虽然形形色色的方法被提出用于景深扩展，但是直到美国科罗拉多大学的Dowski博士和Cathey教授于1995年提出波前编码的概念之后，景深延拓才有了真正意义上的突破。 

以一维光学系统为例，其离焦光学传递函数OTF可以通过广义光瞳函数的自相关运算来获得，如下所示： 

$H(u,W_{20})=\frac{1}{2}\·\underset{-(1-|u|/2)}{\overset{1-\left|u\right|/2}{\∫}}\exp (j\·(2k{W}_{20}\mathrm{ux}+f(x+u/2)-f(x-u/2)))\mathrm{dx}$

其中，u和x分别是归一化的空间频率与孔径平面横向坐标；W₂₀是最大离焦波像差系数；k是波数；而f则代表相位板通用表达式。 

对于传统成像系统来说，上式中的f项不存在，因此可以轻松得到离焦OTF的具体表达式为： 

$\begin{array}{cc}H(u,W_{20})=\frac{\sin (2k{W}_{20}\·(1-\frac{\left|u\right|}{2}))}{2k{W}_{20}u}& u\≠0\end{array}$

可以看到，当系统未引入相位板时，其OTF对离焦是非常敏感的，而且会在频率空间周期性地出现零点，从而造成不可逆的信息损失。但是一旦将E.R.Dowski博士所发明的三次方相位板（f(x)=αx³）引入到光学系统的入瞳面上之后，通过静态相位近似法就可以得到一个完全不同的离焦OTF，如下： 

$\begin{array}{cc}H(u,W_{20})\≈\frac{1}{2}\·\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{\left|3\mathrm{\αu}\right|}}\·\exp (j\·(\frac{{\mathrm{\αu}}^3}{4}-\frac{k^{2}u{W^2}_{20}}{3\mathrm{\α}})+j\·\mathrm{sgn}\left(u\right)\·\frac{\mathrm{\π}}{4})& u\≠0\end{array}$

显而易见，此时离焦OTF的模，即MTF与离焦波像差系数是无关的，也就 是说三次方相位板可以使系统MTF对离焦不敏感；虽然OTF的相位部分与离焦参量W₂₀有关，但是只要调制因子α增大，其对W₂₀的依赖度就会显著降低。同时最为重要的是，在添加了相位板之后，MTF在有效频率范围之内只是在幅度上有一定程度的下降，而不存在零点或近零点，即系统出现离焦时，超出原始系统景深范围的信息并没有丢失，之后通过数字图像复原算法就可以被有效地恢复。同时，由于相位板对系统的通光量和分辨率都不会造成影响，所以波前编码是一种非常不同于缩小孔径法、中心遮拦法或切趾法的新型景深拓展成像技术。 

在现有的文献中，大部分波前编码成像系统的物理性质在优化设计完成之后就无法改变了。然而，由于待成像的物理场景（比如目标成像距离多变）可能非常复杂，所以需要波前编码能够适应这样的变化，即根据估计的成像距离动态调节抑制离焦的能力，此时就能够极大提升系统的灵活性。此外，现有的、针对波前编码系统的研究都集中在离焦不变上，对系统频率特性（如带宽可调与否）研究比较少。但是，由于大部分数字成像系统，包括波前编码系统在内，都是图像探测器受限的，所以存在由欠采样导致的、会降低成像质量的频谱混叠效应。为了抑制这种效应，通常需要在探测器前引入光学低通滤波器。一旦设计出特种相位板，用于调节系统的带宽，那么就可以起到光学滤波的作用，从而降低混叠对图像质量的影响。另外，频率可调和编码重构也具有光学加密的潜力，应用意义极大。 

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可有效扩大系统景深的可拆分重组相位掩膜板，以及基于该相位掩膜板的、离焦敏感度和带宽均可以进行调节的波前编码成像系统。 

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种可拆分重组相位掩膜板，其特殊之处在于：所述可拆分重组相位掩膜板对应的相位掩膜函数是由具有相对位移量的两个余弦函数叠加而成，其一维函数表达式为： 

$Q\left(x\right)=\mathrm{\α}\·\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(x+m_1)\right)-\mathrm{\α}\·\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(x+m_2)\right)$

$=2\mathrm{\α}\·\sin \left(\frac{\mathrm{\π}(m_1-m_2)}{4}\right)\·\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}x+\frac{\mathrm{\π}}{4}(m_1+m_2))$

其中； 

α，m1和m2是相位分布函数的参数； 

x为归一化坐标；x的取值范围为[-1，1]； 

偏移量m1和m2的取值范围均为[-1，1]。 

一种基于如上所述的相位掩膜板所形成的波前编码成像系统，其特殊之处在于：所述波前编码成像系统包括成像镜头、可拆分重组可拆分重组相位掩膜板、图像探测器以及图像处理单元；所述成像镜头、相位掩模板以及图像探测器依次设置在同一光路上；所述图像探测器与图像处理单元相连。 

上述可拆分重组相位掩膜板包括第一掩模板以及第二掩模板；所述第一掩模板与第二掩模板可以以掩模板的孔径平面为中心进行独立平移。 

上述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移包括平移方向相同且平移量相等、平移方向相同且平移量不等、平移方向不同且平移量的绝对值不等以及平移方向不同且平移量的绝对值相等。 

上述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移是平移方向相同且平移量相等时，所述波前编码成像系统是普通的且不存在相位调制的成像系统；所述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移是平移方向相同且平移量不等时，所述波前编码成像系统是有效成像带宽以及对离焦的敏感度可进行改变的波前编码成像系统；所述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移是平移方向不同且平移量的绝对值不等时，所述波前编码成像系统是能改变成像带宽的作用的波前编码成像系统；所述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移是平移方向不同且平移量的绝对值相等时，所述波前编码成像系统是能够调节离焦敏感度的波前编码成像系统。 

一种基于如上所述的波前编码成像系统的波前编码成像方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤： 

1）成像目标依次通过成像镜头以及可拆分重组相位掩膜板后，在图像探测器上形成模糊的中间像； 

2）图像处理单元对步骤1）所形成的模糊的中间像进行去卷积处理，形成聚焦清晰的图像。 

本发明的优点是： 

本发明提出了一种新型的相位掩模板以及搭载这种相位掩模板的成像带宽可调和离焦敏感度均能够进行调节的波前编码成像系统，该相位掩模板由独立的两部分组成，每一个部分都是一个余弦函数，但是相对于孔径平面中心具有一定的位移量。不同的位移量组合将会使系统在普通的成像系统、具备离焦敏感度调节能力的波前编码成像系统以及具备离焦敏感度和带宽同时可调的波前编码成像系统中间进行变化。该成像系统可以对场景中不同距离位置的目标进行质量可调的成像；而通过对带宽进行改变，这种系统可以对探测器与光学系统的匹配程度进行调节，从而起到削弱探测器受限系统频谱混叠效应的作用。同时，系统也能够根据成像目标细节特征的不同调整允许通过系统的高频信息，在降低无用频率信息与高频噪声对成像质量的干扰的同时，还能够起到光学加密中间的作用。当上述相位板中的两个部分相对于孔径平面中心的位移m1和m2大小及方向发生变化时，系统的有效带宽范围和离焦敏感度将产生相应的变化：当平移方向相同且平移量相等时，系统将蜕变为一个普通的成像系统，不具备景深拓展、离焦敏感性调节和带宽调节能力；当平移方向相同且平移量不等时，系统是一个波前编码成像系统。其离焦敏感度和系统带宽均可以通过平移量的不同组合实现相应的调整。当平移方向不同且平移量的绝对值相等时，系统是一个波前编码成像系统，且其离焦敏感度可允许进行调节。当平移方向不同且平移量的绝对值不相等时，系统是一个波前编码成像系统，且其离焦敏感度和成像带宽均可进行调节。本发明与传统的波前编码系统相比，不但可以有效扩大系统景深，同时还能起到改变系统成像带宽和调节离焦敏感的作用，从而使其具备更加灵活的功能；本发明具有抑制离焦的能力，而且能够通过控制带宽起到光学滤波的作用，从而具备应用于光学加密的潜力，是一种新颖的构想，也是对波前编码技术应用潜力的进一步挖掘。 

附图说明

图1是搭载了本发明所提供的可拆分重组相位板的波前编码系统的结构示意图； 

图2-1是采用Fisher信息衡量离焦敏感度的可调波前编码系统所对应的一组优化数据表； 

图2-2是采用Fisher信息衡量离焦敏感度的成像系统对离焦的敏感程度示意 图； 

图3是用离焦MTF作为判据给出了相位板在平移方向相同时不同平移量对应的有效带宽调节效果图； 

图4-1是经过优化的、对应于不同带宽的相位板参数表； 

图4-2是一组经过优化的、最大有效带宽分别是理论有效带宽0.5倍，0.7倍以及0.9倍所对应的离焦MTF曲线簇； 

图5-1是某一模拟仿真的原始图像； 

图5-2-1是图4-1中umax=1的数据所对应的中间模拟成像； 

图5-2-2是图4-1中umax=1的数据所对应的复原图像； 

图5-3-1是现有技术中典型相位板对应的中间模拟成像； 

图5-3-2是现有技术中典型相位板对应的复原图像； 

其中，在图1中的附图标记如下： 

1-成像目标；2-成像镜头；3-可拆分重组相位掩膜板；4-图像探测器；5-图像处理单元；6-聚焦清晰的图像。 

具体实施方式

本发明所涉及的一种用于灵巧型波前编码成像系统的可拆分重组相位掩膜板，该可拆分重组相位掩膜函数由具有相对位移量的两个余弦函数叠加而成，其一维函数表达式为： 

$Q\left(x\right)=\mathrm{\α}\·\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(x+m_1)\right)-\mathrm{\α}\·\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(x+m_2)\right)$

$=2\mathrm{\α}\·\sin \left(\frac{\mathrm{\π}(m_1-m_2)}{4}\right)\·\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}x+\frac{\mathrm{\π}}{4}(m_1+m_2))$

式中，α，m1和m2是相位分布函数的参数，x为归一化坐标。x的取值范围为[-1，1]，偏移量m1和m2的取值范围均为[-1，1]。 

参考图1，在本发明所提出的系统中，成像目标1通过常规成像镜头2和可拆分重组相位掩膜板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。 

本发明可以看作在传统的光学成像系统中增加了一块相位掩膜板（放置在光瞳上），当光路通过此相位掩膜板后，光信息被编码，即整个光学系统的调制传递函数（MTF）会发生改变，虽然编码后的MTF值要小于编码前的值，但是 在有离焦量的情况下它不会出现零值，所以不会造成图像细节信息的丢失。成像在图像探测器（如CCD）上的是一幅模糊图像，用数字信号处理系统对它进行解码，此时系统的MTF值也会相应提高，从而恢复出锐利清晰的图像。 

本发明所涉及的波前编码成像系统虽然在结构形式上与传统波前编码系统类似，但是其最大的特色在于：可拆分重组相位掩膜板3是由独立的两个部分组成。如图1所示，通过调节两个独立部分相对于孔径中心的偏移量，这种成像系统可以在普通成像系统、离焦敏感度可调波前编码成像系统、以及离焦敏感度与有效带宽均可以调节的新型波前编码成像系统三者之间进行切换。因此，本发明提出的基于可分离组合相位掩膜板的成像系统具备多重和更加灵活的功能，是对波前编码成像技术的进一步发展。 

目前，基于各种相位掩膜板的波前编码系统仅能对离焦以及与离焦有关的像差起到抑制作用，但是，一旦将本发明所提出的相位掩膜板加载到系统的孔径上以后，系统的有效成像带宽将能够进行动态的改变，即这种新型的相位板起到了光学滤波器的作用，从而可以对最终被传感器所捕获的图像的信息丰富程度进行控制。 

图2～图5分别从离焦敏感度可调、带宽可调两个方面通过数据、图表以及模拟仿真成像结果等几个方面对本发明提出的新型成像系统的特性和预期表现进行了说明。 

第一，当相位板中的两个部分所引入的平移方向相反，且大小相等时，此时的系统是一个波前编码成像系统，但是其调制强度可以由一个正弦因子进行控制，而这个正弦因子恰恰是平移变量的函数。根据波前编码技术的原理，相位函数调制强度的变化将直接影响到系统对离焦的敏感程度，因此通过改变这个平移量，就能够实现对离焦敏感度的调整。图2采用Fisher信息作为指标衡量系统对离焦的敏感程度。可以看到，当中间模糊图像对应的MTF值较低（Th较小）时，Fisher信息也同样较小，从而说明系统对离焦有较好的抑制作用，而中间图像对应的MTF值正是由平移引入的正弦因子进行控制的，所以该系统具备动态调节离焦敏感度的能力。相位板中两部分的平移方向相反且大小相等，即m1=-m2，此时的系统是一个仅离焦敏感度可调的波前编码系统，对应的一组优化数据见图2-1。在图2-2中（横坐标代表离焦量；纵坐标则表示Fisher信息 的大小。），Fisher信息代表了成像系统对离焦的敏感程度，值越小，则对离焦就越不敏感，也就意味着相位板对离焦的抑制能力越强。另外，Th是优化过程中所引入的一个阈值，用来控制调制传递函数MTF的下降程度。Th越大，那么经相位板编码后的MTF的值就越高，中间模糊图像就越容易通过复原来获得最终的大景深图像。Th，离焦敏感度与Fisher信息之间的关系是：Th越小，离焦的抑制能力就越强，Fisher信息也就越小。 

第二，当相位板中的两个部分不引入任何偏移时，系统将退化为一个普通的光学成像系统，即其所对应的MTF曲线是一个典型的三角形，如图3中的黑色所示（图3中可以看到，当平移量均为零时，系统的MTF表明该系统蜕变为一个普通的光学成像系统；当平移量相等时，系统是一个传统的具有最大有效带宽的波前编码成像系统；当平移量的组合进行随机组合时，系统的有效带宽随之而发生变化）。在引入偏移量后，不同偏移量的组合将对系统的最大有效带宽产生不同的影响。当偏移方向相同且大小相等时，系统可以看成是一个普通的波前编码成像系统，其所对应的带宽是最大的。而当偏移大小不同时，系统的带宽会随着m1和m2的组合做出相应的改变，如图3中彩色曲线所示，其中横坐标表示归一化的空间频率，而纵坐标则表示归一化的离焦光学传递函数。。 

第三，任何一种相位板在真正投入应用之前，都应该进行优化设计以获取最优的参数。在给出图3时，相位板的参数是随机选取的（原则是调制强度因子α保持固定）。既然已经知道本发明提出的相位板具备调节成像系统带宽的能力，那么就应该在优化的时候将这一点考虑进去。图4就给出了最大有效带宽分别是理论值的0.5倍、0.7倍和0.9倍对应的优化结果。可以看到，此时成像系统带宽在发生显著变化的同时，中间模糊图像所对应的MTF值的降低也说明离焦的敏感度同时在发生改变。其中，优化的相位板数据在图4-1中给出，而对应的离焦MTF曲线簇则在图4-2中给出，图4-2中的横坐标表示归一化的空间频率，而纵坐标则表示归一化的离焦光学传递函数。可以看到，如果在优化的过程中考虑了最大有效带宽，那么离焦MTF曲线可以同时反应出离焦敏感度的变化（MTF值的高低）和带宽的变化。 

第四，在针对传统波前编码系统的研究中，重点关注的大都是离焦敏感性，而很少有对其潜在的带宽调节能力进行探讨。通过研究，本发明提出的这种相 位板，其所具备的系统带宽调节能力除了在光学低通滤波领域可以发挥作用之外，还能够应用于光学加密。图5给出了与传统常规波前编码系统模拟成像效果的对比（其中，图5-1是用于模拟仿真的原始图像；图5-2给出了图4-1中umax=1的数据所对应的中间模拟成像（图5-2-1）和复原图像（图5-2-2）；图5-3中给出了参考文献中所提到的一种典型相位板对应的中间模拟成像（图5-3-1）和复原图像（图5-3-2），用以进行比较）。可以看到，本发明所提出的相位编码系统，其所获得的中间图像几乎无法分辨任何有用的信息，而在常规波前编码系统所对应的中间图像中依然可以看到待成像目标的特征。因此，本发明所提出的可分、可调节相位板以及基于此相位板的灵巧型波前编码系统具有应用于光学加密的潜力。 

对带宽进行调整的关键在于相位板中的两个部分可以根据需求，以孔径平面中心为参考进行独立地偏移，这就对孔径的结构提出了新的设计要求。新型的带宽可调波前编码成像系统的孔径上必须设计动态调节装置，能够满足相位板中的两部分满足特定的偏移量组合。 

另外，在实际使用的时候，可以对系统进行一个预先的标定，构建偏移量与系统带宽之间的函数关系，或者建立一个离散的查找表，以便对系统成像带宽进行有意识的调节。 

Claims (6)

1.一种可拆分重组相位掩膜板，其特征在于：所述可拆分重组相位掩膜板对应的相位掩膜函数是由具有相对位移量的两个余弦函数叠加而成，其一维函数表达式为：

$Q\left(x\right)=\mathrm{\α}\·\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(x+m_1)\right)-\mathrm{\α}\·\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(x+m_2)\right)$

$=2\mathrm{\α}\·\sin \left(\frac{\mathrm{\π}(m_1-m_2)}{4}\right)\·\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}x+\frac{\mathrm{\π}}{4}(m_1+m_2))$

其中：

α，m1和m2是相位分布函数的参数；

x为归一化坐标，x的取值范围是[-1，1]；

偏移量m1和m2的取值范围均为[-1，1]。

2.一种基于权利要求1所述的可拆分重组相位掩膜板所形成的波前编码成像系统，其特征在于：所述波前编码成像系统包括成像镜头、可拆分重组相位掩膜板、图像探测器以及图像处理单元；所述成像镜头、可拆分重组相位掩模板以及图像探测器依次设置在同一光路上；所述图像探测器与图像处理单元相连。

3.根据权利要求2所述的波前编码成像系统，其特征在于：所述可拆分重组相位掩膜板包括第一掩膜板以及第二掩膜板；所述第一掩膜板和第二掩膜板可以以孔径平面为中心进行独立平移。

4.根据权利要求3所述的波前编码成像系统，其特征在于：所述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移包括平移方向相同且平移量相等、平移方向相同且平移量不等、平移方向不同且平移量的绝对值不等以及平移方向不同且平移量的绝对值相等。

5.根据权利要求4所述的波前编码成像系统，其特征在于：所述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移是平移方向相同且平移量相等时，所述波前编码成像系统是普通的且不存在相位调制的成像系统；所述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移是平移方向相同且平移量不等时，所述波前编码成像系统是有效成像带宽以及对离焦的敏感度可进行改变的波前编码成像系统；所述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移是平移方向不同且平移量的绝对值不等时，所述波前编码成像系统是能改变成像带宽的作用的波前编码成像系统；所述第一掩膜板以及第二掩膜板之间的独立平移是平移方向不同且平移量的绝对值相等时，所述波前编码成像系统是能够调节离焦敏感度的波前编码成像系统。

6.一种基于权利要求2-5任一权利要求所述的波前编码成像系统的波前编码成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）成像目标依次通过成像镜头以及可拆分重组相位掩膜板后，在图像探测器上形成模糊的中间像；

2）图像处理单元对步骤1）所形成的模糊的中间像进行去卷积处理，形成聚焦清晰的图像。

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