CN113031260A - 一种基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统，包括波前编码成像镜头、面阵探测器、图像处理器件和输出显示器件，所述波前编码成像镜头中设置新型反正弦型相位掩膜板，其相位调制函数包括平方项和反正弦项两个部分，目标经过波前编码成像镜头，在面阵探测器上形成模糊的中间像，面阵探测器采集输出的模糊图像数字信号由图像处理器进行放大、滤波和重构处理，形成清晰的数字图像给输出显示器件输出和结果显示。本发明采用反正弦型相位掩膜板，能够使光电探测器能在较大的焦深范围内移动而不显著改变系统的点扩散函数，有效的降低了光学成像系统对离焦的敏感性，同时不会造成图像信息的丢失。

Description

一种基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统
技术领域
本发明涉及波前编码成像系统，具体涉及一种反正弦型相位掩膜板及基于该相位掩膜版的波前编码成像镜头和系统。
背景技术
扩展光学成像系统的焦深一直是相关研究人员关注的热点问题。波前编码技术是科罗纳多大学的Cathey和Dowski于1995年提出的一种用于延拓系统焦深的数字-光学综合成像技术，它结合了传统光学成像与数字图像处理。波前编码成像系统基本原理如图1所示，一块立方相位掩膜板被置于光学系统光瞳位置，对入射物光波前进行相位调制，使波前编码成像系统产生对离焦不敏感的调制传递函数(MTF)或点扩散函数(PSF)。
波前编码成像系统的离焦MTF在截止频率范围内没有零点，即没有造成信息的彻底丢失，因此可以通过对模糊中间像进行简单的逆滤波或解卷积复原出清晰的图像。编码技术可以克服光学系统的装配误差，补偿系统结构设计所引入的诸如球差、色散、场曲等高阶像差，从而增大系统焦深。因此，位于光瞳位置的相位掩模板是系统焦深延拓性能的关键。
目前，波前编码系统中的相位掩膜有多种函数形式，其中最具代表性的是Colorado大学的Cathey和Dowski于1995利用模糊函数分析法推导出来的立方相位掩膜板(CPM)，该相位掩膜板首次展示了波前编码成像在焦深延拓和畸变补偿上的优越性，但同时存在离焦调制传递函数(MTF)高频部分波动较大导致其重构图像高频成分损失严重的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种反正弦型相位掩膜板及基于该相位掩膜版的波前编码成像镜头和系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种反正弦型相位掩膜板，其相位调制函数包括平方项和反正弦项两个部分，具体为：
farcsine(x,y)＝αx2arcsin(x)+αy2arcsin(y)
其中，farcsine(x,y)为相位调制函数，(x,y)为归一化的相位掩膜板位置坐标，α为相位调制系数。
进一步的，所述相位调制系数与编码成像系统的成像波段、系统参数和离焦优化范围有关，通过将最小化费雪信息量作为目标优化函数，将无离焦系统MTF曲线积分面积作为约束条件的优化模型，进行调制系数优化。
一种波前编码成像镜头，在成像镜头内部设置所述的反正弦型相位掩膜板。
进一步的，所述反正弦相位掩膜板集成在镜头孔径光阑位置处。
一种基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统，包括波前编码成像镜头、面阵探测器、图像处理器件和输出显示器件，所述波前编码成像镜头采用所述的波前编码成像镜头，目标经过波前编码成像镜头，在面阵探测器上形成模糊的中间像，面阵探测器采集输出的模糊图像数字信号由图像处理器进行放大、滤波和重构处理，形成清晰的数字图像给输出显示器件输出和结果显示。
进一步的，所述面阵探测器位于波前编码成像镜头的焦平面处。
进一步的，所述图像处理器利用维纳滤波算法进行滤波处理，滤波处理表达式为：
Figure BDA0002973337820000021
其中，F(u,v)为重构图像的频谱函数，G(u,v)为中间模糊像的频谱函数，H(u,v)为波前编码系统的调制传递函数，k＝N/Sf为噪声N和信号功率谱Sf的比值。
进一步的，所述成像系统的结构为透射式结构、反射式结构或同轴卡塞格林式结构。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明所提供的相位掩膜板以及利用该相位掩膜设计实现的波前编码镜头可以有效的应用于成像系统的焦深延拓，使光电探测器能在较大的焦深范围内移动而不显著改变系统的点扩散函数。2)本发明提供的基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统，相比于现有波前编码成像技术，可以更加有效的降低光学成像系统对离焦的敏感性，同时不会造成图像信息的丢失以及得到锐利清晰的图像。
附图说明
图1是波前编码成像系统的原理示意图。
图2是反正弦型相位掩膜板(ASPM)的二维面型图。
图3是六种类型相位掩膜板的相位调制曲线图。
图4是波前编码镜头的结构示意图，其中(a)为将相位掩膜嵌入常规成像镜头光学系统内部的示意图，(b)是将相位掩膜板集成到系统孔径光阑位置的示意图。
图5是基于反正弦型相位掩膜板的新型波前编码成像系统的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明提出一种反正弦型相位掩膜板，其相位调制函数由平方项和反正弦项组成，可以在提高重构图像信噪比的同时，达到比立方相位掩膜板更为优越的焦深延拓性能。其相位调制函数为：
farcsine(x,y)＝αx2arcsin(x)+αy2arcsin(y)
其中，(x,y)归一化的相位掩膜板位置坐标，α为相位调制系数。
为优化相位掩膜板性能，将最小化费雪信息量作为目标优化函数，将无离焦系统MTF曲线积分面积作为约束条件构建优化模型，为相位掩膜板提供调制参数优化依据，其算法流程为：
Iterate1:for(W20＝W20[i],i++)
if(|Pdec(W20,0)-Pdesire|＜ΔP),
Iterate2:for(α＝α[j],j++)
H(u,W20,α)＝FFT(|FFT(p(x,W20,α))|2)
Figure BDA0002973337820000031
End:[W20,α]＝Minimize(Value)
关于算法流程的解释如下：在波前编码系统中，由于回波探测器接收功率Pdec对像面离焦较为敏感，可以先根据回波探测器接收功率的期望值Pdesire，在无相位调制的情况下通过迭代离焦量W20来实现对离焦参数的初步优化。其中ΔP为实际探测器接收功率与期望值的误差。对满足条件的初筛离焦量，依次进行相位调制系数的优化，采用Fisherinformation(FI)作为优化评判函数。其中H(u,W20,α)为波前编码系统的调制传递函数(MTF)，p(x,W20,α)为成像系统的广义光瞳函数，Value(i,j)为不同初筛离焦量W20和不同相位调制系数α下的FI矩阵。一般来说FI越小，表示该系统参数下的MTF离焦稳定性越好，重构图像的稳定性就越高，对于理想的相位板而言，其FI值为0。通过添加约束条件来保证重构图像质量和算法执行效率，其中(LB)和(UB)为调制系数α的优化范围，Th为系统无离焦MTF的最小积分面积，一般来说，Th越小，对应的重构图像的信噪比越低，图像质量越差。该优化算法利用模拟退火算法遍历FI矩阵最小值对应的W20和α，能较好地权衡系统成像质量及回波抑制效能。
使用上述算法对新型掩膜板的相位调制系数进行优化。需要注意，针对不同成像波段、不同系统参数与不同离焦优化范围的编码成像系统，其掩膜板最佳相位调制系数也有所区别。例如对于可见光波段且优化参数为：ψ＝±30，Th＝0.33的编码成像系统，其掩膜板最佳相位调制系数为α＝42.21，调制深度为(-13.43π，13.43π)。图2为本示例掩膜板的二维面型图，可以看出，其面型呈奇对称结构。该新型相位编码函数也可应用在红外无冷却成像中，补偿因系统结构不稳定而引起的成像质量劣化，针对中红外波段(3-5μm)成像系统，在确定其系统参数与离焦优化范围后，可利用优化算法进一步计算得到掩膜板的最佳调制系数。
现有的众多类型相位掩膜板，主要分为两大类：旋转对称型和非旋转对称型。旋转对称型相位掩膜板相对制作工艺相对简单，调制深度低，焦深扩展范围有限。非旋转对称型相位掩膜板焦深扩展范围大，故实际应用较为普遍。如表1所示，常用的非对称型相位掩膜板有：立方型，如CPM(E.R.Dowski,W.T.Cathey.Extended depth of field through wave-front coding[J].Applied optics,1995,34(11):1859-1866.)、正弦型，如SPM(H.Zhao,Y.Li.Optimized sinusoidalphase maskto extend the depth of field of anincoherent imaging system[J].Optics letters,2010,35(2):267-269.)、改进的对数型，如Improved-LPM(H.Zhao,Y.Li.Optimized logarithmic phase masks used togenerate defocus invariant modulation transfer function forwavefrontcodingsystem[J].Optics letters,2010,35(15):2630-2632.)和正切型，如TPM(V.N.Le,S.Chen,Z.Fan.Optimizedasymmetrical tangentphase mask to obtain defocus invariantmodulation transfer function in incoherent imaging systems[J].Optics Letters,2014,39(7))等。每种相位掩膜板都在某种特性上存在一定优越性，也填补了其在某一方面的空白。例如，正切型在焦深延拓上效果较好，自由型在抑制诸如场曲等高阶像差上较为灵活，等等。本发明所提出的反正弦型相位掩膜板(ASPM)属于非旋转对称相位掩膜板。
表1常用非旋转对称相位掩膜板相位函数
Figure BDA0002973337820000051
为了验证本发明所提出的反正弦型相位掩膜板在波前编码系统焦深延拓上相比于其他常用相位掩膜板的优越性，可以通过对比ASPM相位板与其他相位板的离焦性能参数，来研究其焦深延拓特性。图3为参数优化后的六种相位掩膜板的相位调制曲线，由图可知，这六种相位调制曲线拥有相似的奇对称分布特性，但是在曲率特征和调制深度上有所区别。显然，ASPM调制方式具有最小的调制深度，这有利于降低相位板的加工难度和提高重构图像的信噪比。
本发明还提供了一种波前编码成像镜头，关于编码成像镜头的设计方案如图4所示，其将所设计的相位掩膜嵌入常规成像镜头光学系统内部，如图4(a)所示。作为一种具体示例，利用Zemax软件设计一套五片式成像镜头，将加工的反正弦相位掩膜板进一步集成到系统孔径光阑位置，如图4(b)所示，以减小相位调制误差。通过调节光圈尺寸，可以在控制系统光通量的同时，灵活改变相位板的有效编码系数，以适应实际应用需求。
最后，本发明提供了一种基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统，其系统组成如图5所示。主要包括波前编码成像镜头、面阵探测器、图像处理器件和输出显示器件，面阵探测器位于波前编码成像镜头的焦平面附近。目标经过波前编码成像镜头，在面阵探测器上形成模糊的中间像，面阵探测器采集输出的模糊图像数字信号由图像处理器进行放大、滤波和重构等处理，形成清晰的数字图像输出和结果显示。
作为一种具体示例，图像处理器利用维纳滤波算法进行滤波处理，其表达式为：
Figure BDA0002973337820000061
其中，F(u，v)为重构图像的频谱函数，G(u，v)为中间模糊像的频谱函数，H(u，v)为波前编码系统的调制传递函数(MTF)，噪声和信号功率谱的比值k＝N/Sf可以通过测量估计得出。由此可知，如果调制传递函数H(u，v)已知，并已通过测量得出了估计参数k，则可以得到重构图像的频谱函数F(u，v)，再对F(u，v)进行傅里叶逆变换就可以获得复原图像。复原图像所用的调制传递函数H(u，v)，通过测量编码成像镜头对焦时的点扩展函数(PSF)并经过傅立叶变换获得。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。例如，由于液晶空间光调制器具有灵活产生不同相位调制函数的特点，所述相位板也可以由液晶空间光调制器替代，其原理与所述实施例相同。图像重构算法不限于实施例所述的维纳滤波，还包括诸如：逆滤波，改进的维纳滤波、卡尔曼滤波、Lucy-Richardson滤波、小波分析，及其他改进算法。成像系统结构不限于实施例所述的常规透射式结构，还包括反射式或同轴卡塞格林式成像结构。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.反正弦型相位掩膜板，其特征在于，其相位调制函数包括平方项和反正弦项两个部分，具体为：
farcsine(x,y)＝αx2arcsin(x)+αy2arcsin(y)
其中，farcsine(x,y)为相位调制函数，(x,y)为归一化的相位掩膜板位置坐标，α为相位调制系数。
2.根据权利要求1所述的反正弦型相位掩膜板，其特征在于，所述相位调制系数与编码成像系统的成像波段、系统参数和离焦优化范围有关，通过将最小化费雪信息量作为目标优化函数，将无离焦系统MTF曲线积分面积作为约束条件的优化模型，进行调制系数优化。
3.波前编码成像镜头，其特征在于，在成像镜头内部设置权利要求1或2所述的反正弦型相位掩膜板。
4.根据权利要求3所述的波前编码成像镜头，其特征在于，所述反正弦相位掩膜板集成在镜头孔径光阑位置处。
5.基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统，其特征在于，包括波前编码成像镜头、面阵探测器、图像处理器件和输出显示器件，所述波前编码成像镜头采用权利要求3或4所述的波前编码成像镜头，目标经过波前编码成像镜头，在面阵探测器上形成模糊的中间像，面阵探测器采集输出的模糊图像数字信号由图像处理器进行放大、滤波和重构处理，形成清晰的数字图像给输出显示器件输出和结果显示。
6.根据权利要求5所述的基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统，其特征在于，所述面阵探测器位于波前编码成像镜头的焦平面处。
7.根据权利要求5所述的基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统，其特征在于，所述图像处理器利用维纳滤波算法进行滤波处理，滤波处理表达式为：
Figure FDA0002973337810000011
其中，F(u,v)为重构图像的频谱函数，G(u,v)为中间模糊像的频谱函数，H(u,v)为波前编码系统的调制传递函数，k＝N/Sf为噪声N和信号功率谱Sf的比值。
8.根据权利要求5所述的基于反正弦型相位掩膜板的波前编码成像系统，所述成像系统的结构为透射式结构、反射式结构或同轴卡塞格林式结构。
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