计算增强光学相干层析成像技术研究进展

光学相干层析成像(Optical coherence tomography,OCT)作为一种重要的无损断层三维成像技术,应用场景广泛。不断发展的场景需求对OCT技术的性能提出了新的要求,包括分辨率提升、焦深解耦、像差校正及分辨率各向异性改善等。在过去的十几年内,一系列基于计算成像的方法被证明能有效实现上述性能提升。本文围绕上述OCT成像4个性能提升需求,总结综述了代表性的计算成像方法。分析对比了相应计算成像方法之间的优劣,并对未来发展趋势进行展望,旨在为计算成像方法在OCT领域的进一步研究与应用提供参考。

多聚焦图像焦深扩展分解融合算法仿真

多聚焦图像在融合过程中,若源图像分辨率过低会直接影响图像的融合效果。为提升图像融合效果,提出基于焦深扩展的多聚焦图像融合算法。采用焦深扩展方法对光学系统实施优化,通过优化后的光学系统生成聚焦图像,并对获取的聚焦图像中的退化图像实施修复处理,提升源聚焦图像质量;使用双三次插值的单帧超分辨率法对图像实施分解处理,获取源聚焦图像的高分辨率图像,结合滤波处理算法,获取聚焦图像的细节系数;利用逆小波变换方法对图像细节系数,依据计算结果实现多聚焦图像融合。实验结果表明,使用上述方法开展图像融合时,融合效果较好,图像融合质量较高。

基于折/衍混合原理的长焦深成像物镜消色差方法

为兼顾成像系统消色差及扩展焦深的特性,提出了一种基于折/衍混合原理的长焦深成像物镜在可见光波段内消色差的方法。通过阐述对数光锥位相结构的特征,讨论了长焦深元件的色散特性,并依据折/衍混合消色差原理,确定长焦深成像物镜中折射元件与衍射元件位相函数重新分配的原则;位相重新分配后,衍射元件在承担扩展焦深功能的同时增加了部分消色差光焦度,从而使长焦深元件获得消色差特性。理论和仿真分析表明,位相函数重新分配后得到的长焦深元件在中心波长λd(587 nm)时的轴向光强分布与原长焦深元件一致,而在波长为λF(486 nm)、λc(656 nm)时的轴向光强分布区域重合,即在保留焦深扩展特性的同时,有效地校正了其在可见光波段内的初级色差。

超长焦距红外双视场光学系统设计

设计了一种超长焦距中波红外双视场光学系统，该系统采用二次成像结构，通过透镜轴向移动实现变焦功能。设计结果表明，该系统可以实现超长焦距600～150 mm的变焦功能，且中心视场在探测器特征频率20 lp/mm处的光学传递函数值高于0.5，接近衍射极限，能够很好地满足军事侦察对远距离目标同时搜索和瞄准的要求。

实现长焦深的衍射光学元件设计方法

提出了一种设计长焦深小焦斑衍射光学元件的方法.该方法采用ZEMAX光学设计程序,利用能量守恒原理求解目标函数,并综合考虑焦斑大小保持不变的要求,对目标函数进行了修正,通过修正后的函数来约束输出光束在焦深范围内的轴上位置,从而完成衍射光学元件的相位优化,并求得相应的工艺参数.该元件不但可以使激光束具有长焦深和小焦斑,而且还具有可加工性.焦深范围能达到2 mm,焦深范围内光斑半径在5.32～10.48μm变化,与相同参数的传统光学元件相比,焦深增加了8倍,焦斑半径变化很小,而普通光学元件在此范围内最大焦斑半径达到102.9μm.该方法为长焦深元件的设计、加工与制造提供了可行方案.

利用衍射锥镜降低卫星光通信探测器位置精度要求的方法

针对卫星光通信系统中接收系统对探测器位置的精度要求,提出利用扩大焦深范围的方法降低探测器的轴向位置精度要求。并根据接收光学天线存在中心遮挡的实际情况,采用切趾圆环对数型衍射光锥实现光束强度的轴向均匀分布。利用能量守恒法获得了衍射锥镜的位相分布函数和振幅透过率函数。计算机仿真结果表明,利用该光锥实现光强轴向均匀分布的能力远大于普通透镜,它将有效提升卫星光通信系统捕获、跟踪、通信性能的可靠性。

同时实现多角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件

本文利用长焦深器件设计思路 ,提出了通过设计衍射光学器件相位分布使得在三个垂轴面上满足均匀照明要求来间接实现非垂轴面均匀照明的设计方法 ,并完成了同时实现多种角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件设计 .基于爬山法和模拟退火法相结合的混合算法 ,设计了器件的相位分布 ,在 3 0°、45°、5 5°非垂轴面上光斑不均匀性分别为 5 .91 %、4.0 0 %、3 .3 8% .该方法可推广至二维情形 ,实现任意曲面均匀照明的要求 .

折-衍混合长焦深光学元件的焦深特性

分析了基于能量守恒法获得的对数光锥位相函数的特点,建立了长焦深元件焦深与系统f/#及衍射元件浮雕深度间的函数关系,基于菲涅耳衍射公式分析了参数不同时元件的轴向光强分布规律。仿真结果表明:在给定波长及焦距的条件下,折-衍混合长焦深元件相对同f/#的球面折射透镜的焦深扩展倍数取决于衍射元件的浮雕深度,其值越大,焦深扩展倍数越大,焦深内轴向光强分布越接近平顶分布;焦深一定时,小f/#系统更易获得焦深内轴向光强的平顶分布。

挤压膨化技术及设备的现状与发展

讨论了我国挤压膨化技术及设备的现状 ,分析了挤压膨化技术的发展前景 。

一种长焦大变倍连续变焦光机组件结构设计及装调

介绍了一种基于长焦大变倍比连续变焦红外热像仪的结构设计及装调方法。可用于各类红外热像仪的变焦结构设计中,在保证图像清晰的前提下,能够明显改善连续变焦过程中的光轴晃动,提高红外热像仪的光轴一致性和光轴稳定性,控制焦距精度,降低红外热像仪装调难度。该结构采用双导轨配合步进电机组件化设计,相对于其他变焦结构的设计,该结构变焦过程中光轴一致性好,光轴晃动量小,通用性强。

大焦深数字灰度光刻物镜设计

为了提高数字灰度光刻系统的焦深,研究了基于点扩散函数稳定性的光瞳编码优化方法,在此基础上综合考虑系统的成像对比度和分辨率,利用工程计算软件MAPLE和光学设计软件ZEMAX设计了一种分辨率为1μm的含有5区相位型光瞳滤波器的长焦深数字灰度光刻系统。结果表明,系统调制传递函数表现出离焦不变性,在保证像方分辨率的前提下,系统的焦深被延拓到原有焦深的2.5倍以上,且在整个焦深空间内系统性能与焦点处保持一致,从而提高了光刻系统的工艺容限。所得实验结果与理论分析一致,说明了设计的可行性。

浅谈用作图法研究凸透镜成像规律

凸透镜成像的规律,大部分学生往往难以记住。在分析解决实际问题时更会感到十分茫然,用作图法研究凸透镜成像规律,就会使学生做到画而了知,经久不忘。

高品质复杂光学系统自动设计程序开发与应用

介绍了自行开发的一种光学系统自动设计软件,突破传统计算方法,在应用高像差理论,多物距自动变焦距设计等方面,提出了复杂的处理思路,达到了比较理想的设计效果。特别是在光学微细加工领域,解决了许多特殊问题。着重介绍软件的鲜明应用优势、计算方法、关键技术难点的处理、程序结构和应用实例。

消畸变、长焦距相机光学系统设计

随着空间光学技术的不断发展,时间延时积分电荷耦合器件(TDI-CCD)相机得到了广泛的应用,TDI-CCD图像传感器的应用不仅提高了相机系统的信噪比而且使相机的光机结构更加紧凑,但光学系统的畸变在推扫过程中会造成像移,并最终导致图像模糊,因此对光学系统的设计提出了新的要求。分析了光学系统畸变对TDI-CCD推扫成像时的影响,研究了空间相机光学系统设计中消除畸变的方法,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于450～900nm,焦距f=6000mm,F数为10的三反射消畸变光学系统。设计结果表明,当光学系统视场角为1.6°时,光学系统的畸变量小于0.01%,当面中心遮拦为0.06时,Nyquist频率(50lp/mm)处调制传递函数优于0.50,成像质量达到衍射极限,可以满足高分辨率TDI-CCD空间相机的使用要求。该光学系也适用于多光谱、立体成像和立体测绘等对光学系统畸变有严格要求的相机系统。

用于激光等离子体诊断系统的长焦深透镜

针对惯性约束聚变(ICF)等离子体诊断系统中对长焦深光学元件的要求,采用非线性相位拟合法设计了一块孔径150 mm,焦距450 mm,焦深5 mm的长焦深球面透镜.为了验证该方法的可行性和正确性,制作了一块与设计等F数(通光孔径为80 mm,焦距为240 mm)的长焦深透镜,并且测量了平行光经过该透镜后的轴上和横向光强分布.理论和实验结果都表明,采用非线性相位拟合法设计的长焦深透镜可以获得长焦深、小焦斑、小旁瓣的聚焦光束,可以满足诊断系统对长焦深元件的要求.

采用非线性相位拟合法设计长焦深透镜

针对惯性约束聚变(ICF)激光等离子体诊断系统应用的需求,提出一种采用非线性相位拟合法设计单透镜代替理想对数轴锥镜的方法。对所要得到的球面透镜与理想对数轴锥镜的相位进行拟合,求解得出所需要的球面透镜参量。设计了用于激光等离子体诊断系统的长焦深透镜,并对透镜的焦深、轴向光场均匀性、横向均匀性、焦斑旁瓣等指标进行分析。数值分析结果表明,长焦深透镜具有与理想对数轴锥镜相同的相位分布,焦深、轴向光场均匀性、横向均匀性、焦斑旁瓣均符合设计要求,验证了非线性相位拟合法的正确性。

两档变焦测量电视光学系统的设计

基于切换式两档变焦光学装置,设计了一种焦距600mm/1 200mm可变,靶面尺寸10.4mm×7.6mm,工作波段400nm^700nm,通光口径为136.6 mm/170 mm,最大畸变小于0.2%,传递函数值在空间频率60lp/mm处不低于20%的光学系统,该系统经指标及像质测试、环境例行试验、实景成像试验的验证,系统各项技术指标均满足某军用测量设备的要求。

基于牛顿系统的可见光长焦距分档变倍光学系统设计

举例说明了一种基于牛顿系统的可见光长焦分档变倍系统的设计方法，并推导、计算了各个光学组元光焦度的分配以及光学初始参数。系统采用了二次成像光学结构形式，引入场镜解决长、短焦系统瞳匹配问题，设置调焦镜组用来补偿因物体距离变化引起的像面移动，通过在长焦系统和探测器焦平面之间切进、切出短焦物镜组实现变倍，在短焦物镜组中设计平行光路以便长焦系统和短焦系统共像面的调整。对光学系统像差进行了优化设计，分别给出了长焦系统和短焦系统不同视场的成像质量优化结果，0．8视场内光学传递函数在空间频率36lp／mm时都大于0．4，分析表明设计结果能够很好地满足实际工程需要。

长焦深、高分辨激光加工聚焦透镜

受限于传统激光加工透镜焦深与焦斑大小的矛盾关系,分辨率与加工深度很难同时获得提升。提出一种通过对不同焦距的菲涅耳透镜相位采样组合形成长焦深、高分辨激光加工聚焦透镜的设计方法。针对10.6μm的激光加工波长,采用自编的程序设计了一个通光口径为11mm、中心焦距为47mm的激光纸张打孔透镜,并开展了相应的实验加工与测试。结果表明,该透镜与具有相同口径和焦距的传统透镜相比,焦深增加了2倍,并且在整个焦深范围内焦斑尺寸保持着与普通透镜相近的分辨率。该透镜实现简单,为大深度、高分辨的激光加工提供了可行的途径,在激光加工领域有较好的应用前景。

大相对孔径长焦距同轴折反射式望远物镜设计

以双反射镜系统为基础,在其前后均增加一组折射光学元件来校正和平衡系统像差,设计了一款仅由2片反射镜和4片透镜组成的大相对孔径、长焦距且总长较短的折反射式望远物镜。该物镜系统的工作波段为400~700 nm,焦距为900 mm,入瞳直径为500 mm,遮拦比为0.43,系统总长为495 mm,全视场角范围内的调制传递函数值在截止频率为107.5 lp/mm处均大于0.5。最后对系统进行了公差分析。结果表明,设计的望远物镜系统具有结构简单、成像分辨率高且公差大等特点。