CN108803015B - 一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统 - Google Patents
一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108803015B CN108803015B CN201810553485.5A CN201810553485A CN108803015B CN 108803015 B CN108803015 B CN 108803015B CN 201810553485 A CN201810553485 A CN 201810553485A CN 108803015 B CN108803015 B CN 108803015B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- imaging
- phase
- mask
- generalized
- phase mask
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Compression Or Coding Systems Of Tv Signals (AREA)
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动态波前编码成像系统。该系统可根据实际需要在常规无掩膜成像与多种掩膜成像之间进行切换，除了实现灵活可控的景深拓展范围与复原图像品质之外，当应用于长波红外成像时还可以利用方向性滤波提升不同类型目标的识别能力。该系统包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、复合相位掩膜板、图像探测器以及图像处理单元；其特征在于：所述复合相位掩膜板由两个广义三次方型相位组件沿光轴传输方向叠加而成，并且两个广义三次方型相位组件通过各自独立的旋转来产生不同的相位调制强度。
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动态波前编码成像系统。
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。
当前，波前编码成像系统多以静态方式应用，即相位掩膜板在设计定型之后就无法动态改变其物理形态，由此可能带来的问题如下所示：
首先，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，所见即所得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，波前编码系统应该允许在常规无编码与编码成像之间进行切换。
其次，相位掩膜板所引入的相位调制强弱会直接影响编码调制传递函数幅值的大小以及离焦稳定性。相位调制强度越强，那么编码传递函数的幅值越低，针对中间编码图像滤波复原时所引起的噪声放大就相应地增加，由此可能会带来复原滤波品质的降低；相反地，相位调制强度越弱，那么编码传递函数的幅值就越高，此时尽管景深拓展范围有所收缩，但是因噪声放大导致的图像复原品质下降可以得到抑制。因此，波前编码系统应该允许实现动态可调的等效相位调制强度。
再次，从频率域的角度理解，相位掩膜板所起到的作用与光学滤波器类似，常规的编码成像系统对x方向与y方向的编码完全相同，而很多目标场景在x方向和y方向的特征存在显著差异，尤其是长波红外成像时尤为显著。因此，如果波前编码系统具备可控的方向性滤波能力，那么就有可能使长波红外编码成像系统在编码域实现不同类型目标的辨识。
因此，更加先进的波前编码成像系统应该具备动态切换和符合应用需求的调节能力，从而根据实际需要切换相位掩膜形式，进而允许系统在常规无掩膜成像与编码成像以及非对称广义三次方掩膜(方向性滤波器)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、编码成像以及非对称广义三次方掩膜(方向性滤波器)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：
本发明提供的该相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、复合相位掩膜板、图像探测器以及图像处理单元；
其改进之处是：
复合相位掩膜板由两个广义三次方型相位组件沿着光轴传输方向叠加而成；两个广义三次方型相位组件均可绕光轴独立旋转且两个广义三次方型相位组件的旋转方向与旋转角度大小均可不同；
二维相位掩膜函数的形式为：
Q(x,y)＝f1(x,y)+f2(x,y)；
其中，
f1(x,y)＝α1(xcosθ1+ysinθ1)3+α1(ycosθ1-xsinθ1)3
+β1(xcosθ1+ysinθ1)2(ycosθ1-xsinθ1)+β1(xcosθ1+ysinθ1)(ycosθ1-xsinθ1)2；
f2(x,y)＝α2(xcosθ2+ysinθ2)3+α2(ycosθ2-xsinθ2)3
+β2(xcosθ2+ysinθ2)2(ycosθ2-xsinθ2)+β2(xcosθ2+ysinθ2)(ycosθ2-xsinθ2)2；
式中，α1、β1和α2、β2是控制两个广义三次方型相位组件相位分布函数的参数，θ1和θ2分别代表广义三次方型相位组件f1和广义三次方型相位组件f2各自产生的旋转角度，x，y为孔径平面归一化坐标；x、y的取值范围为[-1，1]，θ1和θ2的取值范围均为[0，360°]；在α1、β1和α2、β2选定的前提下，两个广义三次方型相位组件所产生的不同的旋转角度组合[θ1，θ2]将使相位掩膜函数Q呈现出常规无掩膜、经典广义三次方掩膜以及非对称广义三次方掩膜三种掩膜形式，从而实现常规无掩膜成像、经典广义三次方掩膜成像以及非对称广义三次方掩膜成像之间切换。
进一步地，当系统处于上述常规无编码成像时，两个广义三次方型相位组件引入的相位掩膜相互抵消，此时相对旋转角度组合为以下四种：
θ1＝0°或360°，θ2＝180°；
θ1＝180°，θ2＝0°或360°；
θ1＝90°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝90°。
进一步地，当系统处于上述经典广义三次方编码成像时，其相位掩膜函数分为A1、A2、A3、A4四种形式：
A1、2α(x3+y3)+2β(x2y+xy2)，此时对应的旋转角度组合分为四种：
θ1＝0°，θ2＝360°；
θ1＝360°，θ2＝0°；
θ1＝0°，θ2＝0°；
θ1＝360°，θ2＝360°；
A2、-2α(x3+y3)-2β(x2y+xy2)，此时对应的旋转角度组合为θ1＝180°，θ2＝180°；
A3、-2αx3+2αy3+2βx2y-2βxy2，此时对应的旋转角度组合为θ1＝90°，θ2＝90°；
A4、2αx3-2αy3-2βx2y+2βxy2，此时对应的旋转角度组合为θ1＝270°，θ2＝270°。
进一步地，当系统处于上述非对称广义三次方编码成像时，其相位掩膜函数分为B1、B2、B3、B4四种形式：
B1、2αx3+2βxy2，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝0°或360°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝0°或360°；
B2、-2αx3-2βxy2，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝180°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝180°；
B3、2αy3+2βx2y，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝0°或360°，θ2＝90°；
θ1＝90°，θ2＝0°或360°；
B4、-2αy3-2βx2y，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝90°，θ2＝180°；
θ1＝180°，θ2＝90°。
进一步地，若两个广义三次方型相位组件均以0旋转角度位置作为起点，并以相同的角度和相同的方向同步旋转时，系统点扩散函数的尺度将出现近似周期性的变化，从而改变中间编码图像的模糊程度，进而对景深拓展范围及复原图像品质产生影响。
进一步地，当系统处于非对称广义三次方编码成像时，所述复合相位掩膜板将成为方向性滤波器，尤其是应用于长波红外成像时，方向性滤波有利于在编码域就实现不同类型目标特征的辨识。
进一步地，两个广义三次方型相位组件各自所产生的旋转角度通过电机驱动或采用差分器驱动的方式获得。
本发明的优点在于：
本发明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，广义三次方型相位组件组合的引入，使系统具有更加丰富的参数优化空间用于实现在不存在掩膜(常规成像)、高性能经典广义三次方编码成像以及方向性滤波器之间的切换，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，并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。
与此同时，方向性选择性编码滤波特别有助于在长波红外系统中实现编码域的目标辨识。
附图说明
图1为本发明的系统图。
图2a为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝0°，θ2＝0°)时，广义三次方编码对应的二维相位函数分布图；
图2b为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝0°，θ2＝0°)时，广义三次方编码对应的点扩散函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图3a为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝90°，θ2＝90°)时，广义三次方编码对应的二维相位函数分布图；
图3b为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝90°，θ2＝90°)时，广义三次方编码对应的点扩散函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图4a为相对旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝180°，θ2＝180°)时，广义三次方编码对应的二维相位函数分布图；
图4b为相对旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝180°，θ2＝180°)时，广义三次方编码对应的点扩散函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图5a为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝270°，θ2＝270°)时，广义三次方编码对应的二维相位函数分布图；
图5b为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝270°，θ2＝270°)时，广义三次方编码对应的点扩散函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图6a-(1)给出了当旋转角度组合为(θ1＝5°，θ2＝5°)时、离焦量为0的点扩散函数。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6a-(2)给出了当旋转角度组合为(θ1＝5°，θ2＝5°)时、离焦量为30的点扩散函数。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6a-(3)给出了当旋转角度组合为(θ1＝45°，θ2＝45°)时、离焦量为0的点扩散函数。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6a-(4)给出了当旋转角度组合为(θ1＝45°，θ2＝45°)时、离焦量为30的点扩散函数。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6a-(5)给出了当旋转角度组合为(θ1＝115°，θ2＝115°)时、离焦量为0的点扩散函数。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6a-(6)给出了当旋转角度组合为(θ1＝115°，θ2＝115°)时、离焦量为30的点扩散函数。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6b-(1)给出了当旋转角度组合为(θ1＝5°，θ2＝5°)时、离焦量为0的中间编码图像。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6b-(2)给出了当旋转角度组合为(θ1＝5°，θ2＝5°)时、离焦量为30的中间编码图像。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6b-(3)给出了当旋转角度组合为(θ1＝45°，θ2＝45°)时、离焦量为0的中间编码图像。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6b-(4)给出了当旋转角度组合为(θ1＝45°，θ2＝45°)时、离焦量为30的中间编码图像。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6b-(5)给出了当旋转角度组合为(θ1＝115°，θ2＝115°)时、离焦量为0的中间编码图像。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图6b-(6)给出了当旋转角度组合为(θ1＝115°，θ2＝115°)时、离焦量为30的中间编码图像。其中，α1和α2均取15π，β1和β2均取-3π。
图7为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝0°，θ2＝270°)时，非对称广义三次方编码对应的二维相位函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图8为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝180°，θ2＝270°)时，非对称广义三次方编码对应的二维相位函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图9为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝0°，θ2＝90°)时，非对称广义三次方编码对应的二维相位函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图10为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝180°，θ2＝90°)时，非对称广义三次方编码对应的二维相位函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图11为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝0°，θ2＝270°)时，非对称广义三次方编码对应的点扩散函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图12为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝180°，θ2＝270°)时，非对称广义三次方编码对应的点扩散函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图13为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝0°，θ2＝90°)时，非对称广义三次方编码对应的点扩散函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
图14为旋转角度组合(θ1，θ2)取(θ1＝180°，θ2＝90°)时，非对称广义三次方编码对应的点扩散函数分布图，其中α1和α2均取20π，β1和β2均取3。
具体实施方式
本发明提出了一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统。
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、复合相位掩膜板3、图像探测器4以及图像处理单元5；
复合相位掩膜板由两个广义三次方型相位组件沿光轴传输方向叠加而成，且两个广义三次方型相位组件均可独立旋转且旋转方向和角度大小均可以不同；
在本发明所提出的系统中，目标1通过成像镜头2和复合相位掩膜板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。
本发明所提出的相位掩膜可调的动态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：
首先，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；而相位编码可调的动态波前编码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。
其次，相位掩膜板所引入的相位调制强弱会直接影响编码调制传递函数幅值的大小以及离焦稳定性。相位调制强度越强，那么编码传递函数的幅值越低，针对中间编码图像滤波复原时所引起的噪声放大就相应地增加，由此可能会带来复原滤波品质的降低；相反地，相位调制强度越弱，那么编码传递函数的幅值就越高，此时尽管景深拓展范围有所收缩，但是因噪声放大导致的图像复原品质下降可以得到抑制。因此，相位掩膜可调的动态波前编码系统允许在景深拓展范围与复原图像品质之间按需调节。
另外，从频率域的角度理解，相位掩膜板所起到的作用与光学滤波器类似，常规的编码成像系统对x方向与y方向的编码完全相同，而很多目标场景在x方向和y方向的特征存在显著差异，尤其是长波红外成像时尤为显著。因此，如果波前编码系统具备可控的方向性滤波能力，那么就有可能使长波红外编码成像系统在编码域实现不同类型目标的辨识。
本发明所提出的相位掩膜可调的动态波前编码成像系统实施的关键在于两个广义三次方型相位组件能够分别独立旋转，且旋转角度和旋转方向均可不同，具体来说
复合相位掩膜板对应的二维相位掩膜函数形式为：
Q(x,y)＝f1(x,y)+f2(x,y)；
其中，
式中，α1、β1和α2、β2是控制两个广义三次方型相位组件相位分布函数的参数，θ1和θ2分别代表广义三次方型相位组件f1和广义三次方型相位组件f2各自产生的旋转角度，x，y为孔径平面归一化坐标；x、y的取值范围为[-1，1]，θ1和θ2的取值范围均为[0，360°]；
典型的编码方式简述如下：
当达到常规无编码成像时，两个广义三次方型相位组件引入的相位掩膜将相互抵消，此时相对旋转角度组合为四种，其分别是：
θ1＝0°或360°，θ2＝180°；
θ1＝180°，θ2＝0°或360°；
θ1＝90°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝90°。
当达到经典广义三次方编码成像时，其相位掩膜函数分为A1、A2、A3、A4四种形式：
A1、2α(x3+y3)+2β(x2y+xy2)，此时对应的旋转角度组合分为四种：
θ1＝0°，θ2＝360°；
θ1＝360°，θ2＝0°；
θ1＝0°，θ2＝0°；
θ1＝360°，θ2＝360°；
A2、-2α(x3+y3)-2β(x2y+xy2)，此时对应的旋转角度组合为θ1＝180°，θ2＝180°；
A3、-2αx3+2αy3+2βx2y-2βxy2，此时对应的旋转角度组合为θ1＝90°，θ2＝90°；
A4、2αx3-2αy3-2βx2y+2βxy2，此时对应的旋转角度组合为θ1＝270°，θ2＝270°。
当达到非对称广义三次方编码成像时，其相位掩膜函数分为B1、B2、B3、B4四种形式：
B1、2αx3+2βxy2，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝0°或360°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝0°或360°；
B2、-2αx3-2βxy2，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝180°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝180°；
B3、2αy3+2βx2y，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝0°或360°，θ2＝90°；
θ1＝90°，θ2＝0°或360°；
B4、-2αy3-2βx2y，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝90°，θ2＝180°；
θ1＝180°，θ2＝90°。
在α1、β1和α2、β2选定的前提下，两个广义三次方型相位组件所具有的不同旋转角度组合(θ1，θ2)将使相位掩膜函数Q呈现不同的掩膜强度。
若将上述复合相位掩膜函数Q的表达式具体化，可以得到如下式(1)所示的对应的等效二维相位掩膜函数。显而易见，各阶次项对应的系数由各相位组件所产生的相对旋转角度组合(θ1，θ2)以及面型参数α1、β1以及α2、β2共同决定，这就是本发明提出的动态可调波前编码系统的基本内涵。
基于此特点，本发明提出的方法允许系统在常规无掩膜成像、经典广义三次方掩膜成像以及非对称广义三次方掩膜(方向性滤波器)之间进行切换，并且允许改变编码点扩散函数的大小，进而使波前编码系统在景深拓展范围及复原图像品质之间进行动态调节，以获得相机景深范围与场景深度之间的最佳匹配。
由复合相位掩膜板Q的展开表达式可知，等效相位调制强度与各组件面型参数以及其所产生的相对旋转共同决定。此时，两个广义三次方相位组件的旋转角度是除0°、90°、180°、270°以及360°之外的其他非特殊角度时，系统处于经典广义三次方型编码状态，这就要求，α1、β1、α2、β2以及θ1和θ2要满足使上式中x3项与y3项的系数以及x2y项和xy2项的系数都近似相等，由此来满足对x方向和y方向实施同等编码的效果。
进一步地，若两个广义三次方型相位组件均以0旋转角度位置作为起点，并以相同的角度和相同的方向同步旋转时，系统同样处于广义经典三次方编码成像状态，而此时系统点扩散函数的弥散程度将随旋转角度组合的变化而出现近似周期性的变化，从而改变中间编码图像的模糊程度，进而对景深拓展范围及复原图像品质产生影响。
根据如图2a至图5b所给出的复合式相位板Q的二维相位掩膜函数随组件旋转角度组合变化而变化的情况，可以得到以下几个结论：
其一，当旋转角度组合选择组合状态集合一：(θ1＝0°，θ2＝180°)、(θ1＝180°，θ2＝0°)、(θ1＝90°，θ2＝270°)与(θ1＝270°，θ2＝90°))中的任意一个组合时，成像系统实际上处于常规无掩膜成像，主要用于待成像目标的成像距离尚处于景深范围内的情况。
其二，当旋转角度组合选择组合状态集合二：{(θ1＝0°，θ2＝360°)、(θ1＝360°，θ2＝0°)、(θ1＝0°，θ2＝0°)、(θ1＝360°，θ2＝360°)、(θ1＝90°，θ2＝90°)、(θ1＝180°，θ2＝180°)与(θ1＝270°，θ2＝270°)}中的任意一个组合时，成像系统实际上处于广义三次方掩膜成像，主要用于抑制离焦，旨在成像距离远超系统景深而导致的离焦信息丢失问题。
其三，当广义三次方型相位组件均以0角度位置作为初始位置，以相同的角度和相同的方向同步旋转，那么此时系统所对应的点扩散函数以及中间模糊图像对比度的改变如图6a-(1)至图6b-(6)所示。可以看到，每一种旋转角度组合下的系统都具有离焦不变性，但是通过比较旋转角度组合(θ1＝5°，θ2＝5°)，旋转角度组合(θ1＝45°，θ2＝45°)以及旋转角度组合(θ1＝115°，θ1＝115°)对应的点扩散函数的大小可知，不同旋转角度的组合对应的点扩散函数大小明显改变，这就导致其中间编码模糊图像对比度显著改变。由于点扩散函数的弥散尺度的大小与离焦稳定性以及复原图像品质密切相关，所以动态可调波前编码系统具备了在景深拓展范围与复原图像品质之间按需调节的能力。
由图7-图10可知，当旋转角度组合取组合集合状态三：(θ1＝0°，θ2＝270°)、(θ1＝180°，θ2＝270°)、(θ1＝0°，θ2＝90°)以及(θ1＝180°，θ2＝90°)中的任意一个时，广义三次方相位掩膜将变成非对称掩膜，并且在x方向或y方向失去了严格的奇对称特性。然而，这种非对称特性可应用于实现x方向或y方向的单独的非对称广义三次方编码。如图11-图14所示，点扩散函数由图2a-图5b中的扇形变成了线状，由此证明编码的确只在一个方向体现出其效果。这种单方向编码成像的特性在长波红外将有独特的应用，由于点扩散函数具有方向性，所以有利于识别不同方向的目标，比如人处于站立位置(y方向)，而动物则大多处于x方向，此时特定方向的编码将强化该方向的特征，从而具有提升目标分类效果的潜力。
综上，本发明所提出的复合相位掩膜板以及复合相位掩膜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，并具有在长波红外系统中起到提升目标识别效果的潜力。
Claims (7)
1.一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、复合相位掩膜板、图像探测器以及图像处理单元；
其特征在于：
所述复合相位掩膜板由两个广义三次方型相位组件沿着光轴传输方向叠加而成；两个广义三次方型相位组件均可绕光轴独立旋转且两个广义三次方型相位组件的旋转方向与旋转角度大小均可以不同；
复合相位掩膜板对应的二维相位掩膜函数的形式为：
Q(x,y)＝f1(x,y)+f2(x,y)；
其中，
式中，α1、β1和α2、β2是控制两个广义三次方型相位组件相位分布函数的参数，θ1和θ2分别代表广义三次方型相位组件f1和广义三次方型相位组件f2各自产生的旋转角度，x，y为孔径平面归一化坐标；x、y的取值范围为[-1，1]，θ1和θ2的取值范围均为[0，360°]；
在α1、β1和α2、β2选定的前提下，两个广义三次方型相位组件所产生的不同的旋转角度组合[θ1，θ2]将使相位掩膜函数Q呈现出常规无掩膜、经典广义三次方掩膜以及非对称广义三次方掩膜三种掩膜形式，从而在常规无掩膜成像、经典广义三次方掩膜成像以及非对称广义三次方掩膜成像之间切换。
2.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，其特征在于：当系统处于常规无编码成像时，两个广义三次方型相位组件引入的相位掩膜将相互抵消，此时相对旋转角度组合为四种，其分别是：
θ1＝0°或360°，θ2＝180°；
θ1＝180°，θ2＝0°或360°；
θ1＝90°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝90°。
3.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，其特征在于：当系统处于经典广义三次方编码成像时，其相位掩膜函数分为A1、A2、A3、A4四种形式：
A1、2α(x3+y3)+2β(x2y+xy2)，此时对应的旋转角度组合分为四种：
θ1＝0°，θ2＝360°；
θ1＝360°，θ2＝0°；
θ1＝0°，θ2＝0°；
θ1＝360°，θ2＝360°；
A2、-2α(x3+y3)-2β(x2y+xy2)，此时对应的旋转角度组合为θ1＝180°，θ2＝180°；
A3、-2αx3+2αy3+2βx2y-2βxy2，此时对应的旋转角度组合为θ1＝90°，θ2＝90°；
A4、2αx3-2αy3-2βx2y+2βxy2，此时对应的旋转角度组合为θ1＝270°，θ2＝270°。
4.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，其特征在于：当系统处于非对称广义三次方编码成像时，其相位掩膜函数分为B1、B2、B3、B4四种形式：
B1、2αx3+2βxy2，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝0°或360°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝0°或360°；
B2、-2αx3-2βxy2，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝180°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝180°；
B3、2αy3+2βx2y，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝0°或360°，θ2＝90°；
θ1＝90°，θ2＝0°或360°；
B4、-2αy3-2βx2y，此时对应的旋转角度组合分为两种：
θ1＝90°，θ2＝180°；
θ1＝180°，θ2＝90°。
5.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，其特征在于：若两个广义三次方型相位组件均以0旋转角度位置作为起点，当两者以相同的角度和相同的方向同步旋转时，系统点扩散函数的尺度将出现近似周期性的变化，从而改变中间编码图像的模糊程度，进而对景深拓展范围及复原图像品质产生影响。
6.根据权利要求4所述的相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，其特征在于：当系统处于非对称广义三次方编码成像时，所述复合相位掩膜板被当成方向性滤波器。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，其特征在于：两个广义三次方型相位组件各自所产生的旋转角度通过电机驱动或采用差分器驱动的方式获得。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810553485.5A CN108803015B (zh) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | 一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810553485.5A CN108803015B (zh) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | 一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108803015A CN108803015A (zh) | 2018-11-13 |
| CN108803015B true CN108803015B (zh) | 2019-12-31 |
Family
ID=64090974
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810553485.5A Active CN108803015B (zh) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | 一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108803015B (zh) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4565192B2 (ja) * | 2003-03-31 | 2010-10-20 | オムニビジョン テクノロジーズ， インコーポレイテッド | 画像システムにおける収差を生じる影響を最小化するための、システムおよび方法 |
| CN101477253B (zh) * | 2008-12-26 | 2010-08-11 | 清华大学 | 一种光学数字混合成像系统及方法 |
| DE102012106584B4 (de) * | 2012-07-20 | 2021-01-07 | Carl Zeiss Ag | Verfahren und Vorrichtung zur Bildrekonstruktion |
-
2018
- 2018-05-31 CN CN201810553485.5A patent/CN108803015B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108803015A (zh) | 2018-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108761779B (zh) | 相位掩膜可调的波前编码成像系统 | |
| CN208270846U (zh) | 相位掩膜可调的波前编码成像系统 | |
| Guichard et al. | Extended depth-of-field using sharpness transport across color channels | |
| CN102759769B (zh) | 用于波前编码成像的相位板以及带宽可调波前编码系统 | |
| US8000551B2 (en) | Method and apparatus for adjusting the contrast of an image | |
| CN204719330U (zh) | 波前编码成像系统 | |
| CN102201110B (zh) | 一种利用目标图像频谱特性的频域滤波去噪方法 | |
| CN111369466B (zh) | 基于可变形卷积的卷积神经网络的图像畸变矫正增强方法 | |
| CN108803015B (zh) | 一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统 | |
| CN108537735B (zh) | 一种焦平面太赫兹成像的图像拼接方法 | |
| CN103235411B (zh) | 可拆分重组相位掩膜板及波前编码成像系统 | |
| CN101510011A (zh) | 一种复合相位掩模板 | |
| CN102129096B (zh) | 一种相位板以及应用该相位板的景深拓展成像系统 | |
| Li et al. | Extended depth-of-field infrared imaging with deeply learned wavefront coding | |
| CN203275770U (zh) | 可拆分重组相位掩膜板及波前编码成像系统 | |
| CN111562707B (zh) | 一种用于超晶格非线性成像过程的迂回编码设计方法 | |
| CN202676939U (zh) | 用于波前编码成像的相位板以及带宽可调波前编码系统 | |
| US8749693B2 (en) | Light reduction device and imaging apparatus | |
| CN109143426B (zh) | 一种位相编码菲涅尔透镜 | |
| Elmalem et al. | Infrared imaging-passive thermal compensation via a simple phase mask | |
| CN204613515U (zh) | 一种波前编码成像系统 | |
| Edussooriya | Low-complexity multi-dimensional filters for plenoptic signal processing | |
| CN209402586U (zh) | 透镜阵列图像转换器件及成像装置 | |
| Zhao et al. | Tunable wavefront coded imaging system based on detachable phase mask: Mathematical analysis, optimization and underlying applications | |
| Harvey et al. | Digital image processing as an integral component of optical design |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |