CN108089325A - 基于波前编码超大景深成像系统 - Google Patents

基于波前编码超大景深成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学领域，涉及一种基于波前编码超大景深成像系统，包括波前编码成像镜头、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元，波前编码成像镜头包括第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片以及第五镜片；第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片、第五镜片、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元依次设置在同一光路上，同时对波前编码成像镜头，尤其是第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片以及第五镜片的参数进行限定。本发明提供了一种可以同时实现大相对孔径、超大景深以及较大视场的基于波前编码超大景深成像系统。

Description

基于波前编码超大景深成像系统
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种景深成像系统，尤其涉及一种基于波前编码超大景深成像系统。
背景技术
扩展光学成像系统的景深一直以来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(Optical Transfer Function)可以通过广义光瞳函数的自相关运算来获得，如下所示：
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：
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：
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掩膜板可以使系统MTF(Modulation Transfer Function)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，在添加了相位掩膜板之后，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大景深成像方法。
由于光学系统的景深与相对孔径的平方成反比——相对孔径越大则景深越浅，而波前编码技术具有大幅拓展景深的能力，所以非常适合应用于大相对孔径系统，此时对于与孔径相关的像差如球差和色差等也可以同步得到抑制。与此同时，景深的大幅拓展也使波前编码成像技术能够对与离焦有关的像差比如慧差、像散、场曲等起到抑制效果。由于这些像差与视场大小密切相关，所以对其进行抑制也就意味着允许光学系统具有更大的视场。因此，波前编码成像技术非常利于实现大相对孔径和大视场设计。
相对孔径和视场的增大会大幅增加光学系统的设计和优化难度，传统设计手段不得不使用更多的镜片或采用非球面镜片技术来实现大视场光学系统轴外像差的良好校正。然而，对于波前编码成像技术来说，就允许其在不过度增加元件数目并且全部使用球面镜片的条件下实现视场和相对孔径的扩展，从而能够以较低的设计和研制成本兼顾大视场、大相对孔径和大景深。
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以同时实现大相对孔径、超大景深以及较大视场的基于波前编码超大景深成像系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于波前编码超大景深成像系统，其特征在于：包括波前编码成像镜头、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元，所述波前编码成像镜头包括第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片以及第五镜片；所述第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片、第五镜片、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元依次设置在同一光路上；
所述第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片以及第五镜片均是球面透镜；
所述第一镜片前表面的曲率半径是26.75mm，通光半孔径为9.7553mm；所述第一镜片后表面的曲率半径是73.2mm，通光半孔径是9.3811mm；所述第一镜片前表面与第一镜片后表面之间的距离是2.5681mm；
所述第二镜片是双胶合镜片；所述第二镜片前表面的曲率半径为14.689mm，通光半孔径为7.0391mm；所述第二镜片中间面的曲率半径为-101.62mm，通光半孔径为6.2167mm；所述第二镜片后表面的曲率半径为9.3760mm，通光半孔径为4.7580mm；所述第二镜片前表面与中间面之间的距离为3.8mm，所述第二镜片中间面与后表面之间的距离为1.5562mm；所述第一镜片的后表面与第二镜片的前表面之间的距离是4.7939mm；
所述相位掩膜板的前表面是光阑面，后表面为平面；所述相位掩膜板前表面的通光半孔径为3.2057mm；所述相位掩膜板后表面的通光半孔径为4.0978mm；所述相位掩膜板前表面与后表面之间的距离是5mm；所述第二镜片的后表面与相位掩膜板前表面之间的距离是5.0169mm；
所述第三镜片双胶合镜片；所述第三镜片前表面的曲率半径为-9.376mm，通光半孔径为4.2815mm；所述第三镜片中间面的曲率半径为101.62mm，通光半孔径为6.0116mm；所述第三镜片后表面的曲率半径为-14.689mm，通光半孔径为6.4246mm；所述第三镜片前表面与中间面之间的距离为3.4384mm，所述第三镜片中间面与后表面之间的距离为2.8661mm；所述相位掩膜板后表面与第三镜片前表面之间的距离是1.6762mm；
所述第四镜片前表面曲率半径为-73.2mm，通光半孔径为6.8136mm；所述第四镜片后表面曲率半径是-26.75mm，通光半孔径为7.0273mm；所述第三镜片后表面与第四镜片前表面之间的距离是0.4629mm；所述第四镜片前表面与第四镜片后表面之间的距离是1.8261mm；
所述第五镜片前表面的曲率半径为120.23mm，通光半孔径为7.1664mm；所述第五镜片后表面的曲率半径为-66.37mm，通光半孔径为7.3062mm；所述第四镜片后表面与第五镜片前表面之间的距离是0.1mm；所述第五镜片前表面与第五镜片后表面之间的距离是3.8mm；
所述第五镜片的后表面与1/1.8英寸图像探测器之间的距离是22.216mm。
上述相位掩膜板的2D掩膜函数形式是：
其中：
α表征三次方形相位掩膜板的相位调制强度，所述α取值是0.01mm；
x以及y均为归一化的孔径坐标，单位mm，所述x以及y取值范围均为[-3.2057，3.2057]。
上述波前编码成像镜头的焦距是35mm，相对孔径是1/3.5，全视场角为30°，工作谱段480um～680um。
本发明的优点是：
本发明提功了一种基于波前编码超大景深成像系统，包括波前编码成像镜头、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元，波前编码成像镜头包括第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片以及第五镜片；第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片、第五镜片、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元依次设置在同一光路上，同时对波前编码成像镜头，尤其是第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片以及第五镜片的参数进行限定。本发明所提供的基于波前编码超大景深成像系统可对2m至无穷远清晰成像，焦深可达0.62mm，与权利要求3所述具有同等规格参数但未采用波前编码技术的常规光学成像系统相比，焦深拓展倍数超过40倍；在焦深拓展超过40倍的条件下，滤波解码后的图像质量接近衍射受限；离焦不变可实现免调焦快速成像，大相对孔径则允许应用于低照度场景成像；本发明提出的采用波前编码技术的超大景深成像系统允许进行免调焦快速成像，非常适合于运动目标成像，而较大的相对孔径搭配高灵敏度CMOS探测器就可以实现在较低照度的场景清晰成像的目的。
附图说明
图1是本发明所提供的基于波前编码超大景深成像系统的原理示意图；
图2是本发明提供的基于波前编码超大景深成像系统的3D模型示意图；
图3是本发明提供的基于波前编码超大景深成像系统所采用的相位掩膜板的3D相位分布；
图4是本发明所提供的基于波前编码超大景深成像系统在不同成像距离下的MTF图；其中，对应于每一个成像距离的两幅图涵盖了MTF评价所需的所有视场点。
图5是具有同等规格参数但未采用波前编码成像的常规光学系统在不同成像距离下的MTF图；其中，对应于每一个成像距离的两幅图涵盖了MTF评价所需的所有视场点。
图6是仿真成像效果对比图；
其中：
1-目标；2-波前编码成像镜头；21-第一镜片；22-第二镜片；23-相位掩膜板；24-第三镜片；25-第四镜片；26-第五镜片；3-图像探测器；4-解码处理单元。
具体实施方式
参见图1以及图2，本发明提供了一种基于波前编码超大景深成像系统，能够同时实现大相对孔径、超大景深和较大的视场，包括波前编码成像镜头、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元，波前编码成像镜头包括第一镜片21、第二镜片22，相位掩膜板23、第三镜片24、第四镜片25以及第五镜片26；第一镜片21、第二镜片22、相位掩膜板23、第三镜片24、第四镜片25、第五镜片26以及1/1.8英寸图像探测器依次设置在同一光路上；该波前编码成像系统采用具有圆形孔径的非对称双高斯结构，其中第一镜片21前后表面曲率半径与第四镜片25前后表面曲率半径互为相反数，第二镜片22前中后表面曲率半径与第三镜片24前中后表面曲率半径互为相反数，第五镜片26用于增大视场。此外，除相位掩膜板23之外，其余所有镜片均为球面透镜。
第一镜片21的前表面的曲率半径是26.75mm，第一镜片21前表面的通光半孔径为9.7553mm；第一镜片21的后表面的曲率半径是73.2mm，第一镜片21后表面的通光半孔径是9.3811mm；第一镜片21的前表面与第一镜片21的后表面之间的距离，即第一镜片21的中心厚度是2.5681mm；
第二镜片22是双胶合镜片。其中，前表面曲率半径为14.689mm，前表面通光半孔径为7.0391mm；中间面的曲率半径为-101.62mm，中间面的通光半孔径为6.2167mm；后表面曲率半径为9.3760mm，后表面通光半孔径为4.7580mm；前表面与中间面之间的距离为3.8mm，中间面与后表面之间的距离为1.5562mm；第一镜片21的后表面与第二镜片22的前表面之间的距离，即第一镜片21与第二镜片22之间的距离为4.7939mm；
相位掩膜板23的前表面为光阑面，前表面的通光半孔径为3.2057mm；相位掩膜板23后表面为平面，后表面的通光半孔径为4.0978mm；相位掩膜板23的前表面与后表面之间的距离，即相位掩膜板23的厚度是5mm；第二镜片22的后表面与相位掩膜板23的前表面之间的距离，即第二镜片22与相位掩膜板23之间的距离是5.0169mm；
第三镜片24同样是双胶合镜片。其中，前表面曲率半径为-9.376mm，前表面通光半孔径为4.2815mm；中间面的曲率半径为101.62mm，中间面的通光半孔径为6.0116mm；后表面曲率半径为-14.689mm，后表面通光半孔径为6.4246mm；前表面与中间面之间的距离为3.4384mm，中间面与后表面之间的距离为2.8661mm；相位掩膜板23的后表面与第三镜片24的前表面之间的距离，即相位掩膜板23与第三镜片24之间的距离为1.6762mm；
第四镜片25的前表面曲率半径为-73.2mm，第四镜片25的前表面通光半孔径为6.8136mm；第四镜片25的后表面曲率半径是-26.75mm，第四镜片25的后表面通光半孔径为7.0273mm；第三镜片24的后表面与第四镜片25的前表面之间的距离，即第三镜片24与第四镜片25之间的距离是0.4629mm；第四镜片25的前表面与第四镜片25的后表面之间的距离，即第四镜片25的中心厚度是1.8261mm；
第五镜片26的前表面曲率半径为120.23mm，第五镜片26的前表面通光半孔径为7.1664mm；第五镜片26的后表面曲率半径为-66.37mm，第五镜片26的后表面通光半孔径为7.3062mm；第四镜片25的后表面与第五镜片26的前表面之间的距离，即第四镜片25与第五镜片26之间的距离是0.1mm；第五镜片26的前表面与第五镜片26的后表面之间的距离，即第五镜片26的中心厚度是3.8mm；
第五镜片26的后表面与1/1.8英寸图像探测器之间的距离是22.216mm。
其中，相位掩膜板23采用经典三次方编码方式，2D掩膜函数形式可表达为：
其中：
α表征三次方形相位掩膜板23的相位调制强度，α取值是0.01mm；
x以及y均为归一化的孔径坐标，单位mm，x以及y取值范围均为[-3.2057，3.2057]。
该波前编码成像镜头的焦距是35mm，相对孔径达到1/3.5，全视场角为30°，工作谱段480um～680um，可对2m至无穷远清晰成像，焦深可达0.62mm，与具有同等规格参数但未采用波前编码技术的常规光学成像系统相比，焦深拓展倍数超过40倍。该超大景深波前编码成像系统在焦深拓展倍数超过40倍的条件下，滤波解码后的图像质量依然接近衍射受限。
参考图1，在本发明所提出的系统中，成像目标1通过波前编码成像镜头2后，在1/1.8英寸图像探测器3上形成模糊的中间像，然后解码处理单元4进行去卷积处理，最终得到聚焦清晰的大景深清晰图像。
波前编码成像镜头2的结构如图2所示，本发明出发点为带有双胶合镜片的对称双高斯结构，通过在探测器前面再增加一块透镜来实现设计视场的扩展。其中，相位掩膜板23位于孔径光阑处，通过在其前表面采用三次方形的相位编码来实现离焦不敏感景深拓展的要求。如图3所示，给出了本发明中所采用的三次方相位掩膜板23的相位分布情况。
如前所述，如果不采用波前编码技术，为了实现较大的相对孔径和较大的视场，就不得不使用更多的元件甚至使用非球面光学元件进行像差平衡，这样以来势必会增加镜头的研制和检测成本。幸运的是，波前编码技术有两大特性，允许其在设计上兼顾较大相对孔径和较大视场。首先，由于光学成像系统的景深与相对孔径的平方成反比，所以波前编码通过抑制离焦就允许光学系统具有更大的相对孔径。其次，波前编码技术在实现离焦不变的同时，也能够同步抑制与离焦有关的像差，而这些像差有些与孔径相关，另外一些则与视场相关，所以，对离焦进行抑制也就意味着允许光学系统具有更大的视场。本发明正是基于波前编码成像技术的上述特点，提出了如图1和图2所示的超大景深成像系统。在该系统中，除了相位掩膜板23的编码面需要利用五自由度自由曲面加工设备加工以外，其他所有镜片都是球面透镜，常规工艺可以以极低的代价完成。
参考图2，目标场景所发出的成像光线在经过波前编码成像镜头以后，其所具携带的场景不同位置的深度信息被编码，随之而来的是系统对离焦的不敏感，如图4所示，给出了本发明所提出的超大景深成像系统在成像距离2m(a)，10m(b)以及无穷远(c)时对应的MTF(其中，横坐标代表以每毫米线对数表征的空间频率，纵坐标则代表归一化后的MTF幅值)。可以看到，不同离焦量、不同视场以及不同波长所对应的MTF均具有极好的一致性。由此证明了景深延拓的效果。相应的，图5给出了同等规格参数未采用波前编码技术时MTF随成像距离变化而变化的情况。显而易见，如果不采用波前编码技术，常规光学系统无法实现2m至无穷远成像。如前所述，本发明提出的超大景深成像系统，其相对孔径为1/3.5，那么根据焦深计算公式可知系统焦深约为14.4um。然而根据高斯公式，当焦距为35mm时而成像距离从2m变化到无穷远时，焦面将偏移0.623mm，约为焦深的43.26倍。也就是说，波前编码技术可以将常规光学系统的焦深拓展43.26倍。由图4可知，虽然编码后的MTF值要小于编码前的值，但是在存在离焦量的情况下它不会出现零值，因此不会造成图像细节信息的丢失。图像探测器上是一幅呈现均匀一致模糊的图像，用解码处理单元对它进行解码，将系统的MTF值提升至接近衍射受限，从而恢复出锐利清晰的图像。
图6给出了本发明提出的超大景深成像系统与同等参数常规光学系统的成像效果仿真对比。其中(a)代表具有同等规格参数但未采用波前编码成像技术的常规光学系统在不同成像距离下的仿真成像效果；(b)则代表本发明提出的超大景深波前编码成像系统在不同成像距离下的仿真成像效果。可以看到，常规光学成像系统在成像距离发生巨大变化时，由于MTF幅值的快速下降，图像变得越来越模糊以致细节无法分辨。而对于采用了波前编码技术的超大景深成像系统来说，无论成像距离是多少，中间图像的模糊程度都几乎相同，解码之后都能够恢复到衍射受限状态。尤其是在重度离焦时，常规光学系统所获得的图像非常模糊，而应用编码成像技术后图像质量依然可以接近衍射受限状态，由此证明了基于波前编码技术的超大景深成像系统的能力。
综上，本发明提出的采用波前编码技术的超大景深成像系统允许进行免调焦快速成像，非常适合于运动目标成像，而较大的相对孔径搭配高灵敏度CMOS探测器就可以实现在较低照度的场景清晰成像的目的。

Claims (3)

1.一种基于波前编码超大景深成像系统，其特征在于：所述基于波前编码超大景深成像系统包括波前编码成像镜头、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元，所述波前编码成像镜头包括第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片以及第五镜片；所述第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片、第五镜片、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元依次设置在同一光路上；
所述第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片以及第五镜片均是球面透镜；
所述第一镜片前表面的曲率半径是26.75mm，通光半孔径为9.7553mm；所述第一镜片后表面的曲率半径是73.2mm，通光半孔径是9.3811mm；所述第一镜片前表面与第一镜片后表面之间的距离是2.5681mm；
所述第二镜片是双胶合镜片；所述第二镜片前表面的曲率半径为14.689mm，通光半孔径为7.0391mm；所述第二镜片中间面的曲率半径为-101.62mm，通光半孔径为6.2167mm；所述第二镜片后表面的曲率半径为9.3760mm，通光半孔径为4.7580mm；所述第二镜片前表面与中间面之间的距离为3.8mm，所述第二镜片中间面与后表面之间的距离为1.5562mm；所述第一镜片的后表面与第二镜片的前表面之间的距离是4.7939mm；
所述相位掩膜板的前表面是光阑面，后表面为平面；所述相位掩膜板前表面的通光半孔径为3.2057mm；所述相位掩膜板后表面的通光半孔径为4.0978mm；所述相位掩膜板前表面与后表面之间的距离是5mm；所述第二镜片的后表面与相位掩膜板前表面之间的距离是5.0169mm；
所述第三镜片双胶合镜片；所述第三镜片前表面的曲率半径为-9.376mm，通光半孔径为4.2815mm；所述第三镜片中间面的曲率半径为101.62mm，通光半孔径为6.0116mm；所述第三镜片后表面的曲率半径为-14.689mm，通光半孔径为6.4246mm；所述第三镜片前表面与中间面之间的距离为3.4384mm，所述第三镜片中间面与后表面之间的距离为2.8661mm；所述相位掩膜板后表面与第三镜片前表面之间的距离是1.6762mm；
所述第四镜片前表面曲率半径为-73.2mm，通光半孔径为6.8136mm；所述第四镜片后表面曲率半径是-26.75mm，通光半孔径为7.0273mm；所述第三镜片后表面与第四镜片前表面之间的距离是0.4629mm；所述第四镜片前表面与第四镜片后表面之间的距离是1.8261mm；
所述第五镜片前表面的曲率半径为120.23mm，通光半孔径为7.1664mm；所述第五镜片后表面的曲率半径为-66.37mm，通光半孔径为7.3062mm；所述第四镜片后表面与第五镜片前表面之间的距离是0.1mm；所述第五镜片前表面与第五镜片后表面之间的距离是3.8mm；
所述第五镜片的后表面与1/1.8英寸图像探测器之间的距离是22.216mm。
2.根据权利要求1所述的基于波前编码超大景深成像系统，其特征在于：所述相位掩膜板的2D掩膜函数形式是：
<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>x</mi> <mn>3.2057</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>y</mi> <mn>3.2057</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>+</mo> <mn>5</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
x,y∈[-3.2057,3.2057]
其中：
α表征三次方形相位掩膜板的相位调制强度，所述α取值是0.01mm；
x以及y均为归一化的孔径坐标，单位mm，所述x以及y取值范围均为[-3.2057，3.2057]。
3.根据权利要求1或2所述的基于波前编码超大景深成像系统，其特征在于：所述波前编码成像镜头的焦距是35mm，相对孔径是1/3.5，全视场角为30°，工作谱段480um～680um。
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