CN202676939U - 用于波前编码成像的相位板以及带宽可调波前编码系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于波前编码成像的相位板以及带宽可调波前编码系统，该相位板的相位分布函数由具有相对位移量的两个3阶幂函数叠加而成，其一维函数表达式为：f＝α·(x+c)³+α·(x+d)³。本实用新型提供了一种可有效扩大系统景深、可改变系统成像带宽的作用、能够有效降低频谱混叠对成像质量的影响以及可对波前编码成像技术潜在应用能力有进一步发掘的用于波前编码成像的相位板以及带宽可调波前编码系统。

Description

用于波前编码成像的相位板以及带宽可调波前编码系统

技术领域

本实用新型属于光学领域，涉及一种相位板以及波前编码系统，尤其涉及一种用于波前编码成像的相位板以及带宽可调波前编码系统。

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：

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

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）引入到光学系统的入瞳面上之后，通过静态相位近似法就可以得到一个完全不同的离焦OTF，如下：

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

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。

除了经典的三次方型相位板之外，形形色色的相位板，如对数型，指数型、高次方性等均已被证明可以有效扩展光学成像系统的景深。但是，已有的所有非旋转对称型相位板均不具备调节成像系统带宽的能力。目前，大部分数字成像系统，包括波前编码成像系统在内，都是图像探测器受限的，所以存在由欠采样导致的、会降低成像质量的频谱混叠效应。为了抑制这种效应，通常需要在探测器前引入光学低通滤波器。

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有效扩大系统景深、可改变系统成像带宽的作用、能够有效降低频谱混叠对成像质量的影响以及可对波前编码成像技术潜在应用能力有进一步发掘的用于波前编码成像的相位板以及带宽可调波前编码系统。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种用于波前编码成像的相位板，其特殊之处在于：所述用于波前编码成像的相位板的相位分布函数由具有相对位移量的两个3阶幂函数叠加而成，其一维函数表达式为：

f=α·(x+c)³+α·(x+d)³

其中：

α，c，d是上述相位分布函数的参数，其中α代表相位板的相位调制强度，c和d则分别代表相位板的两个部分相对于孔径平面中心的位移量；由于x为归一化坐标，而c和d是相对于归一化坐标系的平移量，所以，x、c、d的取值范围均为[-1，1]。

一种基于用于波前编码成像的相位板的带宽可调波前编码系统，其特殊之处在于：所述带宽可调波前编码系统包括成像镜头、用于波前编码成像的相位板以及图像探测器；所述成像镜头、用于波前编码成像的相位板以及图像探测器依次设置于同一光路上。

上述带宽可调波前编码系统还包括图像处理单元；所述图像处理单元与图像探测器相连。

上述用于波前编码成像的相位板包括具有相对位移量的两个相位板部件组成。

上述具有相对位移量的两个相位板部件能够以成像镜头的孔径平面为中心进行独立地平移。

本实用新型的优点是：

本实用新型所提供的用于波前编码成像系统的相位板由独立的两部分组成，每一个部分都是3阶幂函数，但是相对于孔径平面中心具有一定的位移量，相位板不同的位移量组合将会导致系统成像带宽的变化，从而允许改变进入系统的信息量。当图像探测器确定后，这样的相位板可以起到光学滤波器的作用，从而能够有效降低频谱混叠对成像质量的影响。本实用新型不但能够起到扩展系统景深的作用，而且也具备调节系统成像带宽的能力，当相位板中的两部分相对于孔径平面中心的位移的大小及方向发生变化时，系统的有效带宽范围将产生相应的变化：这种新型的波前编码系统通过对带宽进行改变，可以对探测器与光学系统的匹配程度进行调节，从而起到削弱探测器受限系统频谱混叠效应的作用。同时，系统也能够根据成像目标细节特征的不同调整允许通过系统的高频信息，以此降低无用频率信息与高频噪声对成像质量的干扰。本实用新型所提供的基于相位板的成像带宽可调的、有别于传统的波前编码成像系统,与传统波前编码系统相比，这种系统不但具有抑制离焦的能力，同时还能起到光学滤波的作用，是一种新颖的构想，也是对波前编码技术应用潜力的进一步挖掘。

附图说明

图1是本实用新型所提供的基于相位板的带宽可调波前编码系统结构示意框图；

图2是相位掩膜板对应于不同参数的一维相位分布函数图；

图3是α=60，c=0.1，d=0.2该组参数所对应的离焦传递函数图；

图4是α=60，c=0.1，d=-0.9该组参数所对应的离焦传递函数图；

图5是α=60，c=0.5，d=-0.5该组参数所对应的离焦传递函数图；

图6-1是α=60，c=0.1，d=0.4时该组参数所对应的离焦MTF曲线图；

图6-2是α=60，c=0.1，d=0.6时该组参数所对应的离焦MTF曲线图；

图6-3是α=60，c=0.1，d=0.8时该组参数所对应的离焦MTF曲线图；

具体实施方式

本实用新型提供了一种用于波前编码成像的相位板，该用于波前编码成像的相位板的相位分布函数由具有相对位移量的两个3阶幂函数叠加而成，其一维函数表达式为：

f=α·(x+c)³+α·(x+d)³

其中：

α，c，d是上述相位分布函数的参数，其中α代表相位板的相位调制强度（?20π，且应根据具体情况通过优化得到），c和d则分别代表相位板的两个部分相对于孔径平面中心的位移量；由于x为归一化坐标，而c和d是相对于归一化坐标系的平移量，所以，x、c、d的取值范围均为[-1，1]。

同时，本实用新型还提供了一种基于上述用于波前编码成像的相位板的带宽可调波前编码系统，该带宽可调波前编码系统包括成像镜头、用于波前编码成像的相位板、图像探测器以及图像处理单元；成像镜头、用于波前编码成像的相位板以及图像探测器依次设置于同一光路上；图像处理单元与图像探测器相连；用于波前编码成像的相位板包括能够以成像镜头的孔径平面为中心进行独立地平移进而具有相对位移量的两个相位板部件组成；

该相位板中的两个组成部分可以以孔径平面为中心进行独立地平移；当平移方向相同时，无论平移量c和d是否相同，系统的有效成像带宽都会发生变化，此时的相位板将成为一个可调的光学滤波器；而当平移方向不同时，只有c和d不相同时才能起到改变系统成像带宽的作用。

成像目标通过常规成像镜头和上述相位板后，在图像探测器上形成模糊的中间像，然后图像处理单元进行去卷积处理，最终形成聚焦清晰的图像。同时，通过调节相位板中两部分所引入的偏移量，系统还将允许指定带宽的信息通过。换句话说，基于上述相位板的波前编码系统在拓展景深的同时，也能够起到可变滤波的作用。

参考图1，在本实用新型所提出的系统中，成像目标1通过常规成像镜头2和相位掩膜板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。

图2是相位掩膜板对应于不同参数的一维相位分布函数。其中，横坐标表示归一化的孔径坐标，纵坐标代表相位分布函数。

本实用新型成像系统可以看作在传统的光学成像系统中增加了一块相位掩膜板（放置在光瞳上），当光路通过此相位掩膜板后，光信息被编码，即整个光学系统的调制传递函数（MTF）会发生改变，虽然编码后的MTF值要小于编码前的值，但是在有离焦量的情况下它不会出现零值，所以不会造成图像细节信息的丢失。成像在图像探测器（如CCD）上的是一幅模糊图像，用数字信号处理系统对它进行解码，此时系统的MTF值也会相应提高，从而恢复出锐利清晰的图像。

本实用新型所涉及的波前编码成像系统虽然在结构形式上与传统波前编码系统类似，但是其最大的特色在于：相位板3是由独立的两部分组成的，如图1所示，通过调节两个独立部分相对于孔径中心的偏移量，其具备传统波前编码成像系统所不具备的功能。

目前，基于各种相位掩膜板的波前编码系统仅能对离焦以及与离焦有关的像差起到抑制作用，但是，一旦将本实用新型所提出的相位掩膜板加载到系统的孔径上以后，系统的有效成像带宽将能够进行动态的改变，即这种新型的相位板起到了光学滤波器的作用，从而可以对最终被传感器所捕获的图像的信息丰富程度进行控制。

如图3~图5所示（横坐标表示归一化的空间频率，纵坐标表示归一化的MTF。），相位板中两部分偏移量c和d的不同组合，直接导致系统有效带宽的改变。图3中，系统的有效带宽（采用归一化的空间频率衡量）降低到了1.5左右，而图4中则仅进一步降低到了1.2左右，在图3~图4中，同时给出了偏移量c和d均等于0的MTF曲线，用于和引入偏移量后的MTF曲线进行比较，如黑色点线表示。在图6中，给出了保持α=60，c=0.1不变，将d从0.2按照0.2的步长逐渐增大到0.8时的各组参数所对应的离焦MTF曲线图，这些曲线图验证了相位板中相对偏移量对成像带宽的影响，当参数a和c保持不变而逐渐增大d的时候，成像系统的截止频率是逐渐减小的，如图中黑色短竖线标出，黑色的短竖线标明了系统实际截止频率的位置，用以显示成像带宽的变化。由此，不难归纳出这种系统的几点特性：

1、当相位板中的两部分偏移方向相同时，无论偏移量是多少，系统的带宽都会发生变化；

2、当相位板中的两部分偏移方向不相同时，只有当偏移量不相同时，系统的带宽才会发生变化；

3、相位板中的两部分之间的相对偏移量越大，带宽变化的量也越大。

对带宽进行调整的关键在于相位板中的两个部分可以根据需求，以孔径平面中心为参考进行独立地偏移，这就对孔径的结构提出了新的设计要求。新型的带宽可调波前编码成像系统的孔径上必须设计动态调节装置，能够满足相位板中的两部分满足特定的偏移量组合。

在实际使用的时候，可以对系统进行一个预先的标定，构建偏移量与系统带宽之间的函数关系，或者建立一个离散的查找表，以便对系统成像带宽进行有意识的调节。

Claims (5)

1.一种用于波前编码成像的相位板，其特征在于：所述用于波前编码成像的相位板的相位分布函数由具有相对位移量的两个3阶幂函数叠加而成，其一维函数表达式为：

f=α·(x+c)³+α·(x+d)³

其中：

α，c，d是上述相位分布函数的参数，其中α代表相位板的相位调制强度，c和d则分别代表相位板的两个部分相对于孔径平面中心的位移量；由于x为归一化坐标，而c和d是相对于归一化坐标系的平移量，所以，x、c、d的取值范围均为[-1，1]。

2.一种基于根据权利要求1所述的用于波前编码成像的相位板的带宽可调波前编码系统，其特征在于：所述带宽可调波前编码系统包括成像镜头、用于波前编码成像的相位板以及图像探测器；所述成像镜头、用于波前编码成像的相位板以及图像探测器依次设置于同一光路上。

3.根据权利要求2所述的带宽可调波前编码系统，其特征在于：所述带宽可调波前编码系统还包括图像处理单元；所述图像处理单元与图像探测器相连。

4.根据权利要求2或3所述的带宽可调波前编码系统，其特征在于：所述用于波前编码成像的相位板包括具有相对位移量的两个相位板部件组成。

5.根据权利要求4所述的带宽可调波前编码系统，其特征在于：所述具有相对位移量的两个相位板部件能够以成像镜头的孔径平面为中心进行独立地平移。

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