CN202133792U - 正弦型相位板及基于该相位板的景深拓展成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种正弦型相位板及基于该相位板的景深拓展成像系统，该景深拓展成像系统包括相位板、成像镜头以及成像探测器；相位板、成像镜头以及成像探测器处于同一光轴上。本实用新型提供了一种可以有效地降低系统对离焦的敏感性、不会造成图像细节信息的丢失以及可得到锐利清晰的大景深图像的用于景深延拓的正弦型相位板及基于该相位板的景深拓展成像系统。

Description

正弦型相位板及基于该相位板的景深拓展成像系统

技术领域

本实用新型属光学领域，涉及一种相位板及基于该相位板的成像系统，尤其涉及一种用于拓展光学成像系统景深的正弦型相位板以及应用该相位板的景深拓展成像系统。

背景技术

扩展光学成像系统的景深一直都是学术界研究的热点。缩小系统的相对孔径可以起到景深延拓的效果，但会严重损失光通量和分辨率，因此实用性不强。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扩展成像系统景深，但是直到美国科罗拉多大学的E.R.Dowski博士于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。

通过在成像系统的孔径平面、入瞳平面或者出瞳平面上添加一块三次方型的相位板，系统的调制传递函数MTF就能够变得对离焦以及引起离焦的因素不敏感，从而达到扩展景深的目的，而且最重要的是，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。这就表明，当系统存在离焦时，超出原始系统景深范围的信息并没有丢失，只是以一种已知的方式被进行了编码，之后通过相应的数字图像复原算法就可以被有效地恢复。同时，由于相位板只是对孔径平面内的成像光线相位进行了编码，对系统的通光量和分辨率从理论上来讲都不会造成影响，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。

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：

$H(u,W_{20})=\frac{1}{2}\·\underset{-(1-|u|/2)}{\overset{1-\left|u\right|/2}{\∫}}\exp (j\·(2k{W}_{20}\mathrm{ux}+f(x+u/2)-f(x-u/2)))\mathrm{dx}$

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：

$H(u,W_{20})=\frac{\sin (2k{W}_{20}\·(1-\frac{\left|u\right|}{2}))}{2k{W}_{20}u},u\≠0$

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博士所实用新型的三次方相位板(f(x)＝αx³)引入，那么通过静态相位近似就可以得到一个完全不同的离焦OTF，如下：

$H(u,W_{20})\≈\frac{1}{2}\·\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{\left|3\mathrm{\αu}\right|}}\·\exp (j\·(\frac{{\mathrm{\αu}}^3}{4}-\frac{k^{2}u{W^2}_{20}}{3\mathrm{\α}})+j\·\mathrm{sgn}\left(u\right)\·\frac{\mathrm{\π}}{4}),u\≠0$

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的依赖度将会显著降低。因此，波前编码技术的确能够扩展系统的景深。

用于景深延拓的相位板种类繁多，除了Dowski博士所提出的三次方型相位板之外，还有对数型相位板，指数型相位板、高次方型相位板等许多类型。相位板虽然可以使系统MTF变得对离焦不敏感，但与衍射受限成像系统相比，其MTF的值有着比较大的下降，从而导致这种新型成像系统所获得的中间图像呈现均匀一致的模糊，必须使用数字图像复原技术将模糊去除以获得大景深清晰图像。要使用一个数字滤波器来对所有离焦位置处的中间图像都进行有效恢复，相位板所对应的系统离焦MTF必须尽可能地稳定，而这也是相位板设计的基本出发点。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种可以有效地降低系统对离焦的敏感性、不会造成图像细节信息的丢失以及可得到锐利清晰的大景深图像的用于景深延拓的相位板及基于该相位板的景深拓展成像系统。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种正弦型相位板，其特殊之处在于：所述相位板的面型结构由正弦函数描述，所述正弦函数的表达式为：

f(x)＝α·sin(β·x+θ)，x∈[-1，1]

式中，α，β与θ是所述相位板的相位分布函数的参数，用来控制正弦型相位板所引入的相位调制强度；x是成像系统孔径平面的归一化坐标。

一种基于上述正弦型相位板的景深拓展成像系统，其特殊之处在于：所述景深拓展成像系统包括相位板、成像镜头以及成像探测器；所述相位板、成像镜头以及成像探测器处于同一光轴上。

上述相位板和成像镜头是分离设置的。

所述相位板设置于成像镜头的孔径平面、出瞳面或入瞳面。

所述相位板和成像镜头之间的距离不小于3～5mm。

上述景深拓展成像系统还包括图像处理单元；所述图像处理单元与成像探测器相连。

上述图像处理单元是去卷积图像处理单元。

本实用新型的优点是：

本实用新型所涉及的景深拓展成像系统可以有效地降低系统对离焦的敏感性，即整个光学系统的调制传递函数(MTF)不会随离焦参量的改变而发生重大的变化，且不会在通频带范围内出现零点或者近零点，所以不会造成图像细节信息的丢失。当中间模糊图像经过去卷积处理之后，就可以得到锐利清晰的大景深图像。与经典的三次方型相位板相比，本实用新型所提出的正弦型相位板可以更加有效地降低系统对离焦的敏感性，因此是一种扩展成像系统景深的更好的选择。

附图说明

图1是三次方型相位板与本实用新型所提出的正弦型相位板一维相位函数比较的第一示意图。

图2是三次方型相位板与本实用新型所提出的正弦型相位板一维相位函数比较的第二示意图。

图3是三次方型相位板与本实用新型所提出的正弦型相位板一维相位函数比较的第三示意图。

图4是使用Fisher信息来对正弦型相位板和经典三次方型相位板的离焦不变特性进行评价示意图。

图5是本实用新型所涉及的景深拓展成像系统实施方式的结构示意图；

其中，1-目标物；2-相位板；3-成像镜头；4-成像探测器；5-图像处理单元。

具体实施方式

本实用新型涉及一种正弦型相位板，与经典的三次方型相位板相比，正弦型相位板具有更好的离焦不变性，可以更好地扩展成像系统的景深。在对不同类型相位板的景深延拓能力进行评价之前，基于统一原则之下的面型优化是第一步。由于相位板的引入所导致的MTF的下降会对后续的图像复原产生不利的影响，所以面型优化应该以最低可接受的退化MTF，即表1中的Th为约束来进行。

本实用新型所提出的相位板相位分布函数可以由标准正弦函数来描述，具体表达式为：

f(x)＝α·sin(β·x+θ)，x∈[-1，1]

式中，α，β与θ是所述相位板的相位分布函数的参数，用来控制正弦型相位板所引入的相位调制强度；x为成像系统孔径平面的归一化坐标。

在使用模拟退火算法对上述相位板进行多参数优化之后，就可以获得相位板所对应的不同约束条件下的最优面型参数，如表1所示。

表1

Th	α	β	ω
				0.21	395.761	1.370	0.042
0.23	186.875	1.634	6.363
				0.25	239.912	1.438	0.059
0.27	645.356	0.957	6.333
				0.29	186.889	1.412	15.633
0.31	117.900	1.632	18.927
				0.33	67.886	1.836	3.007
0.35	78.721	1.676	19.072

在表1中，符号Th是一个阈值，且满足∫MTF(u，W₂₀＝0，P)du≥Th，其中MTF是波前编码系统的调制传递函数；u，W₂₀以及P分别为归一化空间频率，离焦波像差系数和相位板参数。Th是用于约束系统MTF在相位板面型优化过程中降低的程度，即Th值越大，经优化后的系统所对应的MTF曲线就越高，反之越低。

图1、图2以及图3给出了三次方型相位板与正弦型相位板最优面型曲线在Th分别等于0.21，0.27以及0.33时的对比。在图1中，两种相位板参数对应于表1中Th＝0.21的情况，横坐标表示归一化后的孔径平面坐标。在图2中，两种相位板参数对应于表1中Th＝0.27的情况，横坐标表示归一化后的孔径平面坐标。在图3中，两种相位板参数对应于表1中Th＝0.33的情况，横坐标表示归一化后的孔径平面坐标。

可以看到，相位板所对应的最优面型曲线之间的差异还是很明显的，而这正是正弦型相位板可以获得更好的离焦不变特性的根源。

图4给出了正弦型相位板与三次方型相位板对应于不同Th值时的Fisher曲线比较。根据Fisher信息的定义，其值越小，那么系统对离焦参量就越不敏感。可以看到，无论Th的值为多少，当存在中等或者严重离焦时，与三次方型相位板相比，正弦型相位板对离焦的抑制作用更加明显，因为其所对应的Fisher曲线的值更小。其中，图4(1)～(8)分别对应Th等于0.21，0.23，0.25，0.27，0.29，0.31，0.33，0.35的情况，离焦范围0-9π。其中，实线表示正弦型相位板，虚线则表示三次方型相位板，横坐标为离焦参量，纵坐标为Fisher信息大小。

本实用新型还提供了一种基于上述正弦型相位板的景深拓展成像系统，该系统包括成像镜头3、成像探测器4以及与二者共同设置在同一光轴上的相位板2，此外还包括卷积图像处理单元5；其中成像镜头3、成像探测器4和卷积图像处理单元5是按照普通常规的成像系统的分布而分布，将相位板2设置在成像镜头3的入瞳面上，这样目标物经过相位板调制后再经过成像镜头3在成像探测器4上形成模糊的中间像，之后再依靠去卷积图像处理单元5后获得目标物1的清晰图像。

相位板2的相位分布函数由正弦函数描述，其一维相位函数表达式为：

f(x)＝α·sin(β·x+θ)，x∈[-1，1]

式中，α，β与θ是所述相位板的相位分布函数的参数，用来控制正弦型相位板所引入的相位调制强度；x为成像系统孔径平面的归一化坐标。

相位板2和成像镜头3是分体设置的，图5给出了相位板2和成像镜头3分体设置的情形，当相位板2和成像镜头3是分体设置时，相位板2设置在系统的孔径平面或入瞳，且距离成像镜头3中任意一个透镜中心的距离至少控制在3～5mm，根据应用环境而定。另外，也可以将相位板设置在成像镜头的出瞳面上，设置的位置应根据实际应用情况来确定，其后在成像探测器4和卷积图像处理单元5的图像处理过程与上述过程相同。

本实用新型所提出的正弦型相位板在经过优化之后，可以对离焦进行有效的抑制，从而扩展光学成像系统的景深。根据Fisher信息的定义，与传统的三次方型相位板相比，正弦型相位板可以使成像系统对离焦更加不敏感。因此，本实用新型所涉及的应用正弦型相位板的景深拓展成像系统可以有效地降低系统对离焦的敏感性，即整个光学系统的调制传递函数(MTF)不会随离焦参量的改变而发生重大的变化，且不会在通频带范围内出现零点或者近零点，所以不会造成图像细节信息的丢失。当中间模糊图像经过去卷积处理之后，我们就可以得到锐利清晰的大景深图像。

Claims (5)

1.一种正弦型相位板，其特征在于：所述相位板的面型结构由正弦函数描述，所述正弦函数的表达式为：

f(x)＝α·sin(β·x+θ)，x∈[-1，1]

式中，α，β与θ是所述相位板的相位分布函数的参数，用来控制正弦型相位板所引入的相位调制强度；x是成像系统孔径平面的归一化坐标。

2.一种基于权利要求1所述的正弦型相位板的景深拓展成像系统，其特征在于：所述景深拓展成像系统包括相位板、成像镜头以及成像探测器；所述相位板、成像镜头以及成像探测器处于同一光轴上。

3.根据权利要求2所述的景深拓展成像系统，其特征在于：所述相位板和成像镜头是分离设置。

4.根据权利要求3所述的景深拓展成像系统，其特征在于：所述相位板设置于成像镜头的孔径平面、出瞳面或入瞳面。

5.根据权利要求4所述的景深拓展成像系统，其特征在于：所述相位板和成像镜头之间的距离3～5mm。 

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