CN108761779B - 相位掩膜可调的波前编码成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种相位掩膜可调的波前编码成像系统。该系统可根据实际需要切换相位掩膜形式，从而允许系统在常规无掩膜成像、编码成像以及更多掩膜编码形式之间灵活切换，从而允许波前编码成像系统具有更强的灵活性。该系统包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、相位掩膜组件、图像探测器以及图像处理单元；其改进之处是：所述相位掩膜组件由两个三次方形相位板沿着光轴传输方向叠加而成，且两个三次方形相位板采用两种方式可形成相对旋转角度。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种相位掩膜可调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：
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我们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。
当前，波前编码成像系统多以静态方式应用。也就是说，相位掩膜组件在设计定型之后就无法动态改变其物理形态，此时系统的编码特性是确定的。这样，无论待成像目标是否超出原始成像系统的景深范围，都必须通过复原滤波算法才能实现图像的清晰化。然而，图像复原过程中的噪声放大对复原图像质量的影响不可避免。因此，当目标所处位置尚未超出原始成像系统的景深范围时，无需编码所见即所得的直接成像应该成为首选；而当目标所处位置大大超出原始成像系统的景深范围而导致其图像细节严重丢失时，编码成像加复原滤波就将发挥强大的景深拓展作用。
因此，更加先进的波前编码成像系统应该具备这样的能力：根据实际需要切换相位掩膜形式，从而允许系统在常规无掩膜成像、编码成像以及更多掩膜编码形式之间灵活切换。
发明内容
针对技术背景中存在的问题，本发明提出了一种可根据实际需要切换相位掩膜形式，从而允许系统在常规无掩膜成像、编码成像以及更多掩膜编码形式之间灵活切换的相位掩膜可调波前编码成像系统。
本发明的具体技术方案是：
该相位掩膜可调的波前编码成像系统包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、相位掩膜组件、图像探测器以及图像处理单元；
其特殊之处是：
所述相位掩膜组件由两个三次方形相位板沿着光轴传输方向叠加而成，且两个三次方形相位板采用两种方式可形成相对旋转角度；
方式一：一个三次方形相位板固定不动，另一个三次方形相位板绕光轴旋转；
方式二：两个三次方形相位板均绕光轴旋转，且两个三次方形相位板旋转位置不同；
相位掩膜函数形式为：
Q(x,y)＝f1(x,y)+f2(x,y)；
其中，f1(x,y)＝αx3+αy3；
f2(x,y)＝α(xcosθ+ysinθ)3+α(ycosθ-xsinθ)3；
式中，α是相位分布函数的参数，θ代表三次方形相位板f2相对于三次方形相位板f1的旋转角度且θ的取值范围为[0，360°]，x，y为归一化孔径平面坐标，其中x，y的取值范围均为[-1，1]；
在α选定的前提下，不同的旋转角度θ将使相位掩膜函数Q呈现经典三次方掩膜、不存在掩膜、仅沿x方向三次方掩膜以及仅沿y方向三次方掩膜以及非对称广义三次方掩膜，从而分别实现常规无编码成像和有效掩膜成像之间的切换、允许根据需要强化x或y方向的目标特征、允许系统在景深拓展尺度以及复原图像信噪比之间进行选择；所述有效掩膜成像包括经典三次方型编码成像、仅沿x方向编码成像、仅沿y方向编码成像以及非典型的广义三次方编码成像。
进一步地，上述经典三次方掩膜达到的经典三次方型编码成像，其相位掩膜函数为2αx3+2αy3，此时相对旋转角度θ为0°或360°。
进一步地，上述不存在掩膜达到的常规无编码成像，相位掩膜组件中的两个部分引入的相位掩膜相互抵消，此时相对旋转角度θ为180°。
进一步地，上述仅沿x方向三次方掩膜达到的仅沿x方向编码成像，相位掩膜函数为2αx3，此时相对旋转角度θ为270°。
进一步地，上述仅沿y方向三次方掩膜达到的仅沿y方向编码成像，相位掩膜函数为2αy3，此时相对旋转角度θ为90°。
进一步地，上述非对称广义三次方掩膜达到的非典型的广义三次方编码成像，其相位掩膜函数为
(1+cos3θ)αx3+(1+cos3θ)αy3
(-sin3θ)αx3+(sin3θ)αy3
+3αx2y(cos2θsinθ-cosθsin2θ)
+3αxy2(cosθsin2θ+cos2θsinθ)；
此时相对旋转角度θ为除0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°以及360°之外的其他角度。
由此可以得到以下几个结论：
(1)当复合式相位掩膜组件中的两个部分之间的相对旋转角度在0°(360°)和180°两个状态之间切换时，系统将在经典三次方型编码成像与常规无编码成像之间进行转换，从而应对不同的成像要求。
(2)当复合式相位掩膜组件中的两个部分之间的相对旋转角度在90°和270°两个状态之间切换时，系统将在仅沿x方向编码成像与仅沿y方向编码成像之间进行转换，从而可以实现对x方向或y方向的目标特征进行强化或减弱的目的。
(3)当复合式相位掩膜组件中的两个部分之间的相对旋转角度选择除0°、90°、180°、270°以及360°之外的值时，相位掩膜组件属于一种非典型的广义三次方形相位板。四个相位掩膜系数的大小与相对旋转角度θ直接相关。之所以是非典型的广义三次方编码，是因为此时相位掩膜组件中的x3与y3的系数，x2y与xy2的系数都无法做到完全一致。此时，当相对旋转角度θ取值较小时(|θ|<10°)，非对称的广义三次方编码可用于调节传函MTF的高频数值以及离焦MTF的稳定性。
本发明的优点在于：
本发明的方法解决了传统波前编码成像系统静态应用时适应性不强的问题，能够在不存在掩膜(常规成像)以及有效掩膜成像之间进行切换，从而允许波前编码成像系统具有更强的灵活性。对于成像距离处于原始成像系统景深范围内的目标，将切换至常规无编码成像状态，实现所见即所得的直接成像。而对于成像距离超出原始成像系统景深范围内的目标，将切换至有效编码状态实施波前编码成像。此外，还能够在特定的相位掩膜模式下实现对景强调深拓展尺度或强调复原图像信噪比之间的动态选择。
附图说明
图1为本发明的系统图。
图2a为相对旋转角度θ取0°，α取30对应的二维相位掩膜函数分布图。
图2b为相对旋转角度θ取90°，α取30对应的二维相位掩膜函数分布图。
图2c为相对旋转角度θ取180°，α取30对应的二维相位掩膜函数分布图。
图2d为相对旋转角度θ取270°，α取30对应的二维相位掩膜函数分布图。
图3a为相对旋转角度θ取除45°，α取30对应的二维相位掩膜函数分布图。
图3b为相对旋转角度θ取除120°，α取30对应的二维相位掩膜函数分布图。
图3c为相对旋转角度θ取除210°，α取30对应的二维相位掩膜函数分布图。
图3d为相对旋转角度θ取除280°，α取30对应的二维相位掩膜函数分布图。
图4a为一成像系统应用实例在无编码时，成像距离为4m对应的传递函数变化情况。
图4b为一成像系统应用实例在无编码时，成像距离为10m对应的传递函数变化情况。
图4c为一成像系统应用实例在无编码时，成像距离为无穷远对应的传递函数变化情况。
图5a为一成像系统应用实例在经典三次方编码时，成像距离为4m对应的传递函数变化情况。
图5b为一成像系统应用实例在经典三次方编码时，成像距离为10m对应的传递函数变化情况。
图5c为一成像系统应用实例在经典三次方编码时，成像距离为无穷远对应的传递函数变化情况。
图6a为一成像系统应用实例在仅沿x方向编码时，成像距离为4m对应的传递函数变化情况。
图6b为一成像系统应用实例在仅沿x方向编码时，成像距离为10m对应的传递函数变化情况。
图6c为一成像系统应用实例在仅沿x方向编码时，成像距离为无穷远对应的传递函数变化情况。
图7a为一成像系统应用实例在仅沿y方向编码时，成像距离为4m对应的传递函数变化情况。
图7b为一成像系统应用实例在仅沿y方向编码时，成像距离为10m对应的传递函数变化情况。
图7c为一成像系统应用实例在仅沿y方向编码时，成像距离为无穷远对应的传递函数变化情况。
图8a给出了y方向特征得到加强(x方向施加编码)的实例。
图8b给出了x方向特征得到加强(y方向施加编码)的实例。
图9a为一成像系统应用实例在非对称广义三次方编码时，相对旋转角度为2°时，成像距离为4m对应的传递函数变化情况。
图9b为一成像系统应用实例在非对称广义三次方编码时，相对旋转角度为2°时，成像距离为10m对应的传递函数变化情况。
图9c为一成像系统应用实例在非对称广义三次方编码时，相对旋转角度为2°时，成像距离为无穷远对应的传递函数变化情况。
图10a为一成像系统应用实例在非对称广义三次方编码时，相对旋转角度为5°时，成像距离为4m对应的传递函数变化情况。
图10b为一成像系统应用实例在非对称广义三次方编码时，相对旋转角度为5°时，成像距离为10m对应的传递函数变化情况。
图10c为一成像系统应用实例在非对称广义三次方编码时，相对旋转角度为5°时，成像距离为无穷远对应的传递函数变化情况。
图11a为一成像系统应用实例在非对称广义三次方编码时，相对旋转角度为8°时，成像距离为4m对应的传递函数变化情况。
图11b为一成像系统应用实例在非对称广义三次方编码时，相对旋转角度为8°时，成像距离为10m对应的传递函数变化情况。
图11c为一成像系统应用实例在非对称广义三次方编码时，相对旋转角度为8°时，成像距离为无穷远对应的传递函数变化情况。
附图标记如下：
1-目标、2-成像镜头、3-相位掩膜组件、4-图像探测器、5-图像处理单元、6-图像。
具体实施方式
本发明提出了一种相位掩膜可调的波前编码成像系统。
参考图1，该系统包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头2、相位掩膜组件3、图像探测器4以及图像处理单元5；
所述相位掩膜组件由两个三次方形相位板沿着光轴传输方向叠加而成，且两个三次方形相位板采用两种方式可形成相对旋转角度；
方式一：一个三次方形相位板固定不动，另一个三次方形相位板绕光轴旋转；
方式二：两个三次方形相位板均绕光轴旋转，且两个三次方形相位板旋转位置不同；(两个三次方形相位板的相对旋转角度可通过电机驱动其中一个三次方形相位板转动，一个固定不动，也可采用差分器的方式驱动)；
在本发明所提出的系统中，目标1通过成像镜头2和复合式相位掩膜组件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。
本发明所提出的相位掩膜可调波前编码成像系统与传统波前编码成像系统的最大区别在于：传统的波前编码系统多为静态应用，一旦设计定型就无法改变编码状态，无论待成像目标的成像距离是否超出原始系统的景深范围都必须依靠复原滤波消除中间图像的模糊，而由此带来的噪声放大对图像质量的影响不可避免。这对于成像距离还未超出原始系统景深范围的目标来说，实际上是对其成像质量打了一个折扣，此时，所见即所得直接成像应该是首选；而相位编码可调成像系统由于可以在无掩膜常规成像与有掩膜编码成像之间进行切换，所以对于成像距离超出以及大大超出原始系统景深范围的目标就能够通过波前编码技术最大限度地还原信息。这种灵活性是当前多数波前编码成像系统所不具备的。因此，在如图1中，本发明所提出的相位掩膜可调波前编码成像系统中的图像处理单元5只针对有效掩膜状态下获取的中间编码模糊图像实施去卷积处理。
本发明所提出的相位掩膜可调的波前编码成像系统实施的关键在于复合式可拆分相位板中的两个部分产生受控的相对旋转。具体来说
相位掩膜函数形式为：
Q(x,y)＝f1(x,y)+f2(x,y)；
其中，f1(x,y)＝αx3+αy3；
f2(x,y)＝α(xcosθ+ysinθ)3+α(ycosθ-xsinθ)3；
式中，α是相位分布函数的参数，θ代表三次方形相位板f2相对于三次方形相位板f1的旋转角度且θ的取值范围为[0，360°]，x，y为归一化孔径平面坐标，其中x，y的取值范围均为[-1，1]；
在α选定的前提下，不同的旋转角度θ将使相位掩膜函数Q呈现经典三次方掩膜、不存在掩膜、仅沿x方向三次方掩膜以及仅沿y方向三次方掩膜以及非对称广义三次方掩膜，从而分别实现常规无编码成像和有效掩膜成像之间的切换；所述有效掩膜成像包括经典三次方型编码成像、仅沿x方向编码成像、仅沿y方向编码成像以及非典型的广义三次方编码成像。
根据上述复合式相位掩膜组件Q的二维相位函数表达，可以明确地给出系统在几种掩膜状态之间的切换，如下所述：
(一)当旋转角度为0°(360°)时，相位掩膜模式为经典三次方型，相位掩膜函数为2αx3+2αy3。
(二)当旋转角度为180°时，相位掩膜组件中的两个部分引入的相位掩膜相互抵消，波前编码系统退化为常规成像系统。
(三)当旋转角度为90°时，相位掩膜仅作用于一个方向，相位掩膜函数为2αy3。
(四)当旋转角度为270°时，相位掩膜仅作用于一个方向，相位掩膜函数为2αx3。
(五)当旋转角度旋转到除0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°以及360°之外的其他角度时，相位掩膜模式为非对称广义三次方型，相位掩膜函数为
(1+cos3θ)αx3+(1+cos3θ)αy3
(-sin3θ)αx3+(sin3θ)αy3
+3αx2y(cos2θsinθ-cosθsin2θ)
+3αxy2(cosθsin2θ+cos2θsinθ)
如图2a-图2d所示，给出了复合式相位板Q随旋转角度θ变化其对应的相位掩膜变化的情况。图2a对应于α＝30，θ＝0°；图2b对应于α＝30，θ＝180°；图2c对应于α＝30，θ＝90°；图2d对应于α＝30，θ＝270°。
由图2a-图2d可知，当旋转角度为0°、90°、180°以及270°这几个特殊角度时，相位掩膜将经历无掩膜、经典三次方掩膜以及仅沿x或y方向掩膜等几个状态。其中，无掩膜对应于常规成像，此时的波前编码系统将退化为常规成像系统，主要应用于待成像目标的成像距离尚处于景深范围内的情况。经典三次方掩膜则用于抑制离焦，旨在解决严重及重度离焦导致的信息丢失问题。而沿x或者y方向的编码不但能够在编码域实现目标某一方向特征的加强，而且在实现编码的方向依然具备景深延拓的能力。在这三种掩膜模式下，等效的相位掩膜参数数值均为2α。
如图3a-图3d所示，还给出了除0°、90°、180°以及270°之外的任意旋转角度对应的非对称广义三次方相位掩膜的二维相位分布示意。可以看到，与图2a经典的奇对称相位分布相比，在图3中，无论旋转角度取为何值，相位分布都失去了严格的奇对称特性。此时，等价于在经典三次方编码系统(αx3+αy3)中又引入了额外的、调制强度由相对旋转角度与α共同决定的相位调制。当旋转角度θ取较小的值时(在第一象限逆时针旋转或在第四象限顺时针旋转)，αsin3θ将非常小(一般|θ|<10°)，此时非对称广义三次方编码相位函数的前两项就将近似等于2αx3+2αy3，而后两项的相位调制强度仅为2α的几分之一，不会对编码传函产生剧烈的影响，主要用于调节编码传递函数在高频位置处的MTF。
图4a-图11c给出了具体光学设计实例中应用本发明的情况。该实例对应的光学系统参数为：焦距35mm，F数3.5，视场角24°。
首先，当相对旋转角度分别为0°和180°时，该系统就将在无编码常规成像与经典三次方编码成像之间进行切换。图4a-图4c以及图5a-图5c分别给出无编码常规成像与经典三次方编码成像两种状态下的MTF随成像距离变化而变化的情况。显而易见，当系统处于常规成像状态时，MTF对于成像距离的变化较为敏感，而当系统切换到编码成像(α＝0.005mm)时，离焦敏感性大大降低了。
其次，当相对旋转角度分别为90°和270°时，该系统就转换为仅沿x方向或仅沿y方向实施编码。如图6a-图6c以及图7a-图7c所示。根据传函的变化情况可知，此时目标图像沿x或y方向特征如边缘将变得模糊，而另外一个方向的特征保持不变，由此说明此时相位掩膜组件可以起到强化特定特征的作用。这一特性可用于在编码域实现不同种类目标的初步鉴别分类，如图8a和图8b所示，不同方向的边缘特征得到了明显的改变。
最后，当相对旋转角度取除了0°、90°、180°、270°以及360°几个特殊角度之外，复合式相位掩膜组件将呈现一种非对称的广义三次方编码的形态。如前所述，在其所对应的二维相位函数表达式中，当相对旋转角度小于10°时，等效的相位调制为调制强度2α的经典三次方形编码再加上一个非对称的编码调制。由于所设定的相对旋转角度较小，所以此时的相位调制将主要起到调节编码传递函数离焦稳定性以及高频MTF值的目的，从而允许对复原图像的信噪比进行一定的控制。如图9a～图9c、10a～图10c以及11a～图11c所示，分别给出了相对旋转角度取2°、5°以及8°的传函变化情况。由图9a～图9c、10a～图10c以及11a～图11c与图5a-图5c分别对比可知，在非对称广义三次方编码的时候，当成像距离发生改变时，系统调制传递函数依然具有离焦不敏感的特点，但是此时x方向以及y方向的MTF之间的相似度会出现一定程度的变化，与此同时，对应的MTF在中高频率处的数值以及相似程度也会出现一定的变化。当需要较高信噪比成像时，编码MTF的中高频数值需要大一些，此时将牺牲景深拓展范围；而当需要较大的景深拓展范围时，就需要压低MTF整体数值但保持较高的一致性。
综上，本发明所提出的新型复合相位板以及应用该相位板的波前编码成像系统具有相位掩膜模式可调的能力，并由此实现在无编码常规成像与多种编码成像方式切换的目的，大大增强了波前编码系统的应用灵活性。
Claims (7)
1.一种相位掩膜可调的波前编码成像系统，包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、相位掩膜组件、图像探测器以及图像处理单元；
其特征在于：
所述相位掩膜组件由两个三次方形相位板沿着光轴传输方向叠加而成，且两个三次方形相位板采用两种方式可形成相对旋转角度；
方式一：一个三次方形相位板固定不动，另一个三次方形相位板绕光轴旋转；
方式二：两个三次方形相位板均绕光轴旋转，且两个三次方形相位板旋转位置不同；
相位掩膜函数形式为：
Q(x,y)＝f1(x,y)+f2(x,y)；
其中，f1(x,y)＝αx3+αy3；
f2(x,y)＝α(xcosθ+ysinθ)3+α(ycosθ-xsinθ)3；
式中，α是相位分布函数的参数，θ代表三次方形相位板f2相对于三次方形相位板f1的旋转角度且θ的取值范围为[0，360°]，x，y为归一化孔径平面坐标，其中x，y的取值范围均为[-1，1]；
在α选定的前提下，不同的旋转角度θ将使相位掩膜函数Q呈现经典三次方掩膜、不存在掩膜、仅沿x方向三次方掩膜以及仅沿y方向三次方掩膜以及非对称广义三次方掩膜，从而分别实现常规无编码成像和有效掩膜成像之间的切换、允许根据需要强化x或y方向的目标特征、允许系统在景深拓展尺度以及复原图像信噪比之间进行选择；所述有效掩膜成像包括经典三次方型编码成像、仅沿x方向编码成像、仅沿y方向编码成像以及非典型的广义三次方编码成像。
2.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的波前编码成像系统，其特征在于：所述经典三次方掩膜达到的经典三次方型编码成像，其相位掩膜函数为2αx3+2αy3，此时相对旋转角度θ为0°或360°。
3.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的波前编码成像系统，其特征在于：所述不存在掩膜达到的常规无编码成像，相位掩膜组件中的两个部分引入的相位掩膜相互抵消，此时相对旋转角度θ为180°。
4.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的波前编码成像系统，其特征在于：所述仅沿x方向三次方掩膜达到的仅沿x方向编码成像，相位掩膜函数为2αx3，此时相对旋转角度θ为270°。
5.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的波前编码成像系统，其特征在于：所述仅沿y方向三次方掩膜达到的仅沿y方向编码成像，相位掩膜函数为2αy3，此时相对旋转角度θ为90°。
6.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的波前编码成像系统，其特征在于：所述非对称广义三次方掩膜达到的非典型的广义三次方编码成像，其相位掩膜函数为：
(1+cos3θ)αx3+(1+cos3θ)αy3
(-sin3θ)αx3+(sin3θ)αy3
+3αx2y(cos2θsinθ-cosθsin2θ)
+3αxy2(cosθsin2θ+cos2θsinθ)；
此时相对旋转角度θ为除0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°以及360°之外的其他角度。
7.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的波前编码成像系统，其特征在于：两个三次方形相位板的相对旋转角度θ通过电机驱动或采用差分器驱动。
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