波前编码技术扩展焦深的系统实验

为了扩大光学系统的焦深,建立了采用波前编码技术的光学/数字一体化系统,通过在普通光学系统孔径光阑处加入一个位相掩模板和后期数字处理的优化结合,实现了光学系统焦深的大幅扩展。介绍了波前编码技术的提出、发展及理论基础,设计了一个三片式的三次位相板系统,利用光学设计软件CODEV对传统系统和波前编码系统的成像特性进行了对比分析,给出了±40倍离焦范围内的点扩散函数三维轮廓图和调制传递函数曲线。最后,对研制的系统进行成像实验,并对波前编码系统解码前后的成像效果与传统系统进行了比较。实验结果表明,与传统系统相比,所设计的波前编码系统可以在保持光通量和像面分辨率的情况下将焦深扩展40倍。

波前编码景深延拓成像系统模拟实验研究

波前编码技术是结合光瞳位相调制和数字信号处理的一种新技术,由于它可以在不降低分辨率的前提下增加光学系统的景深,同时减小成像系统的体积和降低成本,因此该技术具有很好的应用前景。设计了一个波前编码成像系统,并联合ZEMAX和MATLAB软件对该系统进行了计算机成像模拟实验。模拟实验结果表明:在由相位系数决定的离焦范围内,波前编码成像系统能实现在不降低分辨率的前提下的景深延拓;当三次相位板系数为20π时,波前编码系统可以将传统光学系统的景深扩大60倍。

大景深成像技术及其相移现象的控制

为了探讨三次方位相板在大景深CCD衍射受限成像系统中的作用和分析由三次方位相板引起的成像相移现象,采用原理对比分析及仿真实验的方法,得到了轴向离焦参数ψ和位相板系数α与成像系统调制传递函数及成像相移量s的关系函数,以及物方离焦量w为波长的0,50,150,300倍时普通成像系统与大景深成像系统的轮辐成像图。分析及实验结果表明,位相板以降低系统光学传递函数对轴向离焦量敏感程度的方式实现大景深成像,同时必然引起成像相移,且相移大小与景深放大倍数及位相板系数间存在一定对应关系。而适当控制景深放大倍数并合理选择位相板系数能够有效减小成像相移,获得满意的成像质量。

混凝土结构裂缝宽度波前编码测量系统的设计

为了克服基于传统光学成像技术设计的手持式混凝土裂缝宽度测量系统焦深小、准确调焦困难,以及由于存在像差和混凝土表面凹凸过大致使视场内图像无法完全清晰等缺陷,采用波前编码技术重新进行缝宽检测系统的设计,以便有效地拓展景深(焦深)。讨论了波前编码立方型相位板规一化参数及其与实际系统相位板设计参数之间的关系,利用CODEV光学设计软件完成了手持式裂缝宽度波前编码测量系统的设计,加工制作了立方型相位板并进行了初步实验。实验表明,采用基于单透镜的波前编码系统设计,在满足分辨率为50μm,F数为6的前提下,可将景深拓展为15mm,达到传统光学系统相同F数时景深理论值的4.5倍。该系统能够满足混凝土结构裂缝宽度测量中扩大景深和成像的基本要求。

三次相位板波前编码系统离焦极限和面型设计

在三次相位板的波前编码技术研究中,系统的离焦极限和三次相位板的面型参数是决定系统成像质量和图像恢复难度的重要参数。本文利用根据魏格纳函数推导出的准确波前编码成像系统MTF函数,提出了一种三次相位板面型参数和离焦极限之间关系的讨论方法,分别利用该方法得出三次相位板系统的理论离焦极限和针对不同应用的实际离焦范围;计算得出限定不同离焦量要求时的三次相位板面型参数的选择。并通过对离焦与非离焦情况下系统MTF函数对比,讨论系统离焦时的MTF全局一致性。并分别利用数值计算和CODEV模拟验证了通过此方法得到的系统离焦极限和相位板面型参数的有效性。

用于检测三次位相板的新型零位补偿器的设计

三次位相的波前编码位相板是一种非旋转对称光学元件。对于其面形及整个元件的检测,虽然目前通用的方式还是采用轮廓仪的接触式测量,但采用非接触式的干涉测量,具有快速、简洁、可避免待测元件的面形不受损伤等优点。非接触式的测量方法,可以采用计算全息图进行零位补偿,但计算全息图的制作价格相对较高。我们根据三次位相波前编码板的面形特点,得到一种新型的零位补偿方式,并给出了设计实例,并进行了实验验证,该补偿器全部由球面镜组成,易于加工,且成本较低。

基于波前传感法的立方相位板面形测量

针对立方相位板的曲面特征，基于波前传感方法设计了面形测量系统。提出了波前数据到曲面面形的映射模型，借助图像处理方法有效地提高了测量的动态范围，实现了较大曲率的立方相位板面形精度的超精密测量。仿真分析表明，该模型的转换精度同传统算法相比提高了2～3倍，测量的动态范围提高了4倍，且仍有提高空间。最后搭建的实验系统实现了实际立方相位板面形的测量，通过与Wyko白光干涉仪的测量数据对比，验证了测量的准确性。

相位板偏心对波前编码系统的成像影响分析

理论及实验分析了三次相位板的偏心对波前编码成像的影响。理论分析得到相位板倾斜和偏心后的波前编码系统的光瞳函数相位项的表达式。分析表明,当仅有偏心时,相位板位置变化会产生相位因子的变化效应和离焦量的改变,它们均与相位板的偏移量相关。同时仿真结果表明,偏心会改变点扩散函数(PSF)的能量分布及PSF包络的两条直角边长度,降低系统的调制传递函数(MTF)值;z向偏心对PSF的影响小于x向或y向的偏心对PSF的影响。实验结果表明,偏心在一定的范围内对PSF的影响较小,复原图像在焦深范围内的清晰度一致性较好;但是偏心会降低焦深延拓率。实验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究结果对基于相位掩模板的波前编码系统在空间光学系统、显微系统、红外成像等领域的应用具有较高的参考价值。