CN114488524A - 一种基于高阶多项式自由曲面相位板的波前编码成像系统 - Google Patents

一种基于高阶多项式自由曲面相位板的波前编码成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学工程技术领域，具体为一种基于高阶多项式自由曲面相位板的波前编码成像系统。本发明提到的系统包括高阶多项式自由曲面相位板、光学成像系统、图像传感器和解码算法。光学成像系统的波前经高阶多项式自由曲面相位板和光学成像系统调制后具有离焦不敏感性，在焦点附近形成点扩散函数相似的中间编码图像；位于光学系统焦面上的图像传感器接收中间编码图像；中间编码图像经过解码算法处理后得到清晰的大景深图像。高阶多项式自由曲面相位板函数由多项式的三次项、七次项、十一次项组成。该面型函数离焦一致性更好；函数待定系数更少，易于优化；在多参数的情况下可获得波前编码系统相位板参数的精确解。

Description

一种基于高阶多项式自由曲面相位板的波前编码成像系统
技术领域
本发明属于光学工程技术领域，具体涉及一种基于高阶多项式自由曲面相位板的波前编码成像系统。
背景技术
在传统的光学系统中，光学系统的大口径与大景深特性是不能共存的，传统成像技术往往通过自动对焦等需要复杂光学结构的技术来扩展景深。
与其相比，波前编码技术结合光学成像和数字图像处理技术，通过相位板对波前信息进行编码调制，使其在焦面附近具有离焦不敏感性，图像传感器可以获得一系列均匀模糊、点扩散函数相似的中间编码图像；再通过解码算法对中间处理图像解码获得清晰的高分辨率图像，使成像系统具有更高的分辨率与更大的景深。
目前应用最广泛的相位板是三次面型相位板，但其离焦一致性较差，除此之外还有均方根相位板，正切型相位板，对数相位板等多种函数形式的相位板，但存在相位板优化困难和加工困难的问题。
发明内容
为了解决光学成像系统大口径与大景深特性难以共存的困境以及波前编码系统在设计优化时步骤复杂的问题，本发明提供了一种基于高阶多项式自由曲面相位板的波前编码成像系统。
本发明的具体思路为在传统的光学成像系统入瞳处添加高阶多项式自由曲面相位板对入射光线的波前信息进行调制，再经过传统的光学成像系统进行成像，使其在焦点附近具有极高的离焦一致性，图像传感器会得到相似的模糊中间编码图像，中间编码图像可以通过统一的解码算法进行图像恢复从而扩展景深。
本发明提供的基于高阶多项式自由曲面相位板的波前编码成像系统，能实现对多种成像系统的景深扩展。如图1，系统主要构件包括：对波前进行调制的高阶多项式自由曲面相位板1、光学成像系统2、图像传感器3和解码算法模块4；其中：
所述高阶多项式自由曲面相位板1、光学成像系统2和图像传感器3沿光轴依次排列；所述高阶多项式自由曲面相位板1位于光学成像系统2入瞳处，朝外一面为平面，朝内一面为自由曲面；所述图像传感器器3位于光学成像系统2的焦面处；光学成像系统的波前经高阶多项式自由曲面相位板1和光学成像系统2调制后具有离焦不敏感性，在焦点附近形成点扩散函数相似的中间编码图像；位于光学系统焦面上的图像传感器3接收中间编码图像；中间编码图像经过解码算法模块4处理后得到清晰的大景深图像；其中：
所述高阶多项式自由曲面相位板1的面型为：
z(x，y)＝α(x3+y3)+β(x7+y7)+ω(x11+y11)，
其中，z是相位板面型矢高，x和y是相位板位置坐标；α，β，ω分别为相位板多项式面型函数参数的三次项、七次项、和十一次项系数。
高阶多项式自由曲面相位板面型α、β和ω参数需要优化，优化流程如图2，在ZEMAX软件中建立实际的仿真模型，改变像面的离焦位置，不同离焦量下的调制传递函数(MTF)的Hilbert空间角可作为评价函数。Hilbert空间角可以评价两组数据的相似性，相似度越高，角度越小。
考虑到实际光学系统的视场角与波长，在构造评价函数时，选择正焦位置，0视场角，主波长的MTF为参考值，将其余不同离焦位置、不同视场、不同波长的的MTF与其做对比，计算Hilbert空间角并求和。
基于遗传算法寻优的外部程序生成待定参数α、β和ω的初始种群，通过动态数据交换更新ZEMAX软件中待优化的光学系统结构与MTF，再经过外部编程的遗传算法对参数进行选择、交叉和变异后多次迭代后得到最优解。
优化函数如下：
Figure BDA0003511644060000021
其中：
H(ψ,FOV(i),λ)是光学系统的光学传递函数幅值；
ψ是离焦位置；
FOV(i)是第i个视场；
λ是成像系统的波长；
优化函数考虑了不同离焦位置、不同波长、不同视场的MTF的Hilbert空间角，保证了光学系统尽可能高的离焦一致性。
实际光学系统成像时必定包含噪声，在波前编码系统中MTF远低于衍射极限，MTF响应过低会使复原后的图像信噪比下降，考虑到解码部分的恢复能力，优化时要对MTF响应有一定的约束。波前编码系统生成的一系列中间图像模糊度不能超过恢复算法的极限，即在截止频率内，MTF最小响应要大于阈值TH，阈值TH视实际情况而定。约束条件函数如下所示。
subject to:min(H(u，0，0))＞TH
TH是MTF相应的阈值
最后，所述解码算法4对图像传感器3获得的中间编码图像进行维纳滤波处理，维纳滤波的点扩散函数通过测量波前编码成像镜头得到。
本发明的优点是：
(1)相位板使用了形式较为简单的高阶多项式面型，只包含三次项、七次项、十一次项。该面型函数相比常见的三次函数形式相位板，离焦一致性更好；相比其他类型的自由曲面相位板，该函数待定系数更少，易于优化；相比均方根、正切等函数形式相位板，该函数无需自定义面型即可优化；
(2)提供了一种基于MTF一致性的寻优方法。利用基于MZDDE的外部编程进行遗传算法优化，在计算时考虑了不同离焦位置、不同波长、不同视场的MTF的Hilbert空间角，可以在多参数的情况下获得了波前编码系统相位板参数的精确解。
附图说明
图1为基于波前编码技术的大景深成像系统结构示意图。
图2为波前编码相位板参数优化流程图，包括光学成像系统不同离焦位置和不同视场的MTF计算和外部编程遗传算法寻优。
图3为三片式红外波前编码系统结构图。
图4为加入相位板之前的红外三片式光学系统MTF，包括不同离焦位置0mm、0.1mm和0.2mm的MTF曲线。
图5为加入优化好的相位板后的红外三片式光学系统MTF，包括不同离焦位置0mm、0.1mm和0.2mm的MTF曲线。
图6为可见光波前编码系统结构图。
图7为加入相位板之前的可见光光学系统MTF，包括不同离焦位置0mm、0.1mm和0.2mm的MTF曲线。
图8为加入优化好的相位板后的可见光光学系统MTF，包括不同离焦位置0mm、0.1mm和0.2mm的MTF曲线。
图中标号：1为高阶多项式自由曲面相位板，2为光学成像系统，3为图像传感器。4为解码算法模块。
具体实施方式
下面结合实施例和附图进一步说明本发明。
实施例1：如图3，将本发明应用于红外成像系统进行波前编码系统优化，系统主要构件包括对波前进行调制的高阶多项式自由曲面相位板1、红外成像系统2和图像传感器3。所述高阶多项式波前编码相位板1材料为锗，厚度为4mm，该系统光学参数满足如下条件：
波段：8μm～12μm；
F/#：1.0；
焦距：48.00mm；
在MATLAB中构建评价函数和约束条件，将评价函数作为遗传算法的适应度函数，在MATLAB的GA工具箱和ZEAMX之间构建基于MZDDE的数据链接，阈值TH设为0.1，优化后的波前编码成像系统多项式相位板的参数最优解为α＝1.2109e-6mm-2，β＝6.8422e-13mm-6，ω＝6.9593e-19mm-10。
图4为加入相位板之前的红外三片式光学系统MTF，包括不同离焦位置0mm、0.1mm和0.2mm的MTF曲线。
图5为加入优化好的相位板后的红外三片式光学系统MTF，包括不同离焦位置0mm、0.1mm和0.2mm的MTF曲线，此时MTF曲线高度相似且没有零点，表示中间编码图像可以通过同一个解码算法的滤波器进行信息恢复。
实施例2：如图6，将本发明应用于可见光成像系统进行波前编码系统优化，系统主要构件包括对波前进行调制的高阶多项式自由曲面波前编码相位板1、可见光成像系统2和图像传感器3。所述高阶多项式自由曲面相位板1材料为PMMA，厚度为2mm，该系统光学参数满足如下条件：
波段：0.48μm～0.65μm；
F/#：4.4；
焦距：22.00mm；
阈值TH设为0.1，优化后的波前编码成像系统多项式相位板的参数最优解为α＝3.7584e-4e-6mm-2，β＝1.2094e-6mm-6，ω＝7.0051e-9mm-10。
图7为加入相位板之前的可见光光学系统MTF，包括不同离焦位置0mm、0.1mm和0.2mm的MTF曲线。
图8为加入优化好的相位板后的可见光光学系统MTF，包括不同离焦位置0mm、0.1mm和0.2mm的MTF曲线，此时MTF曲线高度相似且没有零点，表示中间编码图像可以通过同一个解码算法的滤波器进行信息恢复。

Claims (2)

1.一种基于高阶多项式自由曲面相位板的波前编码成像系统，能扩展多种成像系统的景深，其特征在于，包括高阶多项式自由曲面相位板(1)、光学成像系统(2)、图像传感器(3)和解码算法模块(4)；
所述高阶多项式自由曲面相位板(1)、光学成像系统(2)和图像传感器(3)沿光轴依次排列；所述高阶多项式自由曲面相位板(1)位于光学成像系统(2)的入瞳处，朝外一面为平面，朝内一面为自由曲面；所述的图像传感器(3)位于光学成像系统(2)的焦面上；光学成像系统的波前经高阶多项式自由曲面相位板(1)和光学成像系统(2)调制后具有离焦不敏感性，在焦点附近形成点扩散函数相似的中间编码图像；位于光学系统焦面上的图像传感器(3)接收中间编码图像；中间编码图像经过解码算法模块(4)处理后得到清晰的大景深图像；
其中，所述的高阶多项式自由曲面相位板(1)的面型为：
z(x,y)＝α(x3+y3)+β(x7+y7)+ω(x11+y11)，
其中，z是相位板面型矢高，x和y是相位板位置坐标；α，β，ω分别为相位板多项式面型函数参数的三次项、七次项、和十一次项系数；
所述解码算法(4)对图像传感器(3)获得的中间编码图像进行维纳滤波处理。
2.根据权利要求1所述的基于高阶多项式自由曲面相位板的波前编码成像系统，其特征在于，所述高阶多项式波前编码相位板面型的相位板参数α、β和ω是基外部编程对实际光学系统仿真进行优化得到，优化时综合考虑视场、波长、离焦等影响因素，优化相位板的目标函数和边界约束条件如下：
Figure FDA0003511644050000011
H(ψ,FOV(i),λ)是光学系统的光学传递函数幅值；
ψ是离焦位置；
FOV(i)是第i个视场；
λ是成像系统的波长；
subject to：min(H(u,0,0))>TH；
TH是光学系统的光学传递函数相应的阈值。
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