一种基于OTF稳定性的波前编码相位板优化方法

提出了一种简单的可用于光学系统中子午弧矢方向白光OTF稳定性评价的波前编码相位板参量优化方法.该方法仅以标准偏差来评价OTF在目标景深范围内的稳定性,并且结合自适应模拟退火算法在参量空间内优化得到相位板的最佳参量.使用该方法优化得到的相位板参量,可以大幅度提高光学系统的景深,并且可以获得更为清晰、稳定的成像.对应用波前编码技术前后光学系统的成像性能作了比较,并且考察了优化参量的容差性.

波前编码系统的新设计

利用传统光学系统评价指标斯特利尔比和能量集中度来表征波前编码系统的成像特征,建立了系统"离焦不敏感性"的评价函数。采用所建立的评价函数设计了应用波前编码技术的三片式系统,系统焦深比原系统扩展10×以上。结果表明:新设计方法使得波前编码系统设计得以在流行的光学设计软件CODE Ⅴ、zemax中实现,并可以很方便地控制"离焦不敏感性"和"图像可恢复性"之间的平衡,解决了目前波前编码系统设计时没有现成软件,没有成熟方法的问题。

波前编码超分辨成像技术

波前编码作为一种经典的计算成像技术,以能够大幅度拓展光学成像系统的焦深而闻名,并得到了学术界及工业界长期的关注。实际上,除了焦深的拓展,波前编码还具备实现超分辨率成像的潜力,而这在已有的研究中鲜有讨论。一方面,相位掩膜板的引入在降低光学系统传递函数并使其对离焦不敏感的同时,也有效降低了欠采样数字成像系统中的混叠效应,从而提供了更适合于进行超分辨率重构的数据源。另一方面,相位掩膜板所引起的点扩散函数支持域的巨大化效应使得以数字的方式、从采样间隔可以被认为是无限小的、理想的光学焦平面点扩散函数来计算与特定探测器物理像元大小相对应的采样点扩散函数成为可能。因此,从这两个特点出发,提出了一种为波前编码系统定制的、基于单帧图像放大的超分辨率重构算法,并且研制了原型样机对超分辨率的效果进行了检验。试验表明:焦距50 mm/F数4.5的Cooke三片系统除了焦深拓展超过20倍且具有接近衍射受限成像品质之外,利用复原算法能够实现至少3倍的高品质超分辨率重建效果。

一种优化波前编码系统相位板参数的新方法

根据波前编码系统的设计理论,在兼顾图像恢复能力的基础上,提出利用不同离焦距离的点扩散函数与焦面处的点扩散函数之间的希尔伯特空间角作为成像特性一致性的评价函数,结合遗传算法,对扩大景深的波前编码成像系统的相位板参数进行优化。分别在空间域和频率域上分析应用波前编码技术前后光学系统的成像特性,并利用最小二乘数字滤波器对中间模糊图像进行复原。仿真实验结果表明:在三次相位板上应用此方法获得的最佳相位板参数使波前编码系统焦深扩展了10倍。

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。

基于ZEMAX用户自定义操作数的波前编码成像系统优化设计

针对目前波前编码成像系统中相位板的设计工作量大且未能考虑除相位板外其它光学元件像差的问题,提出了两种基于常用光学设计软件ZEMAX的优化设计方法:使用ZPL宏指令编写用户自定义操作数,优化点扩散函数的能量集中度和一致性,实现了旋转对称型相位板的设计,以斯托列尔比不小于0.8为衡量标准,设计结果使景深扩展到传统光学系统的5.5倍;使用在外部定义和编译的C程序编写用户自定义操作数,优化调制传递函数的离焦不变性,实现了奇对称型相位板的设计;以MTF离焦不变性为衡量标准,设计结果使景深扩展到传统光学系统的12.5倍,而同等条件下的三次方相位板只能使景深扩展到传统光学系统的10.1倍。得到的实验结果说明本文所述设计方法是方便而有效的。

基于波前编码的红外无热化光学系统相位掩模板热效应特性分析(英文)

分析了基于波前编码技术的无热化光学系统中相位掩模板的自身热效应,得到了不同温度下光瞳处相位板相位函数的变化.分析了由相位板热效应引起的波前编码系统成像特性的变化.通过数值及图像仿真证明了相位板热效应对波前编码无热化光学系统性能产生的影响.结果表明,相位板热效应对系统MTF(调制传递函数)的离焦不变特性和编码图像的可复原性产生严重的影响.

波前编码系统相位板视场效应的消除

通过在光学系统的光阑面上加入一个非球面相位板,使得光学系统的成像对离焦不敏感·但当入射视场角较大时,图像的边缘发生变形且难以恢复·针对此问题,提出了两种解决方案,方案一是把相位板移至光路中光线较为平缓的区域,但不是系统的光阑位置;方案二是保持相位板位置不变,优化整个光学系统,使相位板前的光线能够平缓地入射到相位板·实验中对一个EFL=12.5mm,F/#=1.3,半视场角为13.5°的波前编码实际系统进行仿真比较,得出方案二可以有效地消除波前编码相位板引入的视场效应·

应用波前编码技术的离轴三反系统的设计及其分析

波前编码技术是一种新兴的"光学-数字"一体化成像技术,可以在保持光学系统相对孔径不变的情况下扩展其焦深,并控制与离焦有关的像差。这一特性使得该技术在空间相机上的应用有着广阔的前景。讨论了波前编码技术在空间用离轴三反光学系统上的应用,通过建立以次镜为波前编码元件的过渡模型给出了光学设计的结果,并以调制传递函数(MTF)为评价尺度对传统系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了对比;同时讨论了焦深扩展因子对系统焦深扩展程度以及成像质量的影响。分析结果证明了波前编码技术在空间光学系统上的巨大应用价值。

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。

基于波前编码的无热化红外成像技术综述(特邀)

波前编码红外成像技术是一种结合光学编码和数字解码两步成像的计算光学成像技术。波前编码无热化红外成像系统通过在红外光学系统的光阑附近增加特殊面形的光学相位板,对场景红外辐射进行编码调制,使得在宽的环境温度范围内红外焦平面探测器输出的中间编码图像具有高度一致性,再对中间编码图像进行数字解码得到清晰红外图像。近年来,国内外学者开展了大量波前编码无热化红外成像技术的理论分析和原理验证,表明其无热化特性的有效性。文中结合作者近年来的研究工作,主要介绍波前编码无热化红外成像技术的研究背景、基本原理、关键技术、国内外典型的设计方案和原理样机、并展望了波前编码红外成像技术的应用价值和发展趋势。

波前编码中立方相位板的装配及加工误差对成像性能的影响

在波前编码技术中,通过立方相位板的光学调制和后续图像处理,扩展了系统景深.其中系统的光学调制过程,可以用广义光瞳函数描述.系统的广义光瞳函数描述了光通过立方相位板后相位的变化过程.立方相位板是波前编码技术的关键器件,装配及加工误差直接影响系统的成像性能.本文通过推导不同误差情况下的广义光曈函数,得到了立方相位板装配及加工误差对点扩散函数(PSF)和调制传递函数(MTF)的变化规律.评估这些规律,得到了装配和加工误差对系统成像性能的变化规律,为装配和加工过程提供了基本的指导.文中分析了不同装配误差和加工误差对于系统性能的影响,其中围绕Z轴的装配误差和加工中振动引起的正弦形状误差对于MTF的影响最大.因此,在装配和加工中应尽量避免围绕Z轴的装配误差和正弦形状误差,正弦形状误差的PV值应保持在0.5μm之内.

波前编码技术在红外空空导弹上的应用研究

波前编码技术可以扩大光学系统的焦深,提高光学系统的无热化性能;也可以简化系统,减少光学零件数量。而空空导弹由于其体积较小,工作温度变化较大,其光学系统也面临着无热化设计和结构紧凑化设计等问题,因此研究波前编码技术在红外空空导弹上应用的可行性具有实际的意义。结合波前编码理论设计了一个适合于红外空空导弹,有效焦距f′为100 mm,F数为2,视场为±1.5°,工作波段为3~5μm的制冷型红外光学系统,通过Code V分析了光学系统在-45~60℃温度范围内的性能变化。

带有波前编码板的虹膜采集光学系统的设计

设计了一款采用波前编码技术的虹膜采集光学系统,以实现大景深、自然非约束状态下的成像.以传统的光学系统评价指标斯特利尔比和能量集中度作为波前编码系统的成像特征,利用ZEMAX软件对波前编码系统进行设计,权衡了离焦不敏感性和图像可恢复性.比较了带有立方相位编码板和带有修正项的立方相位编码板的虹膜采集系统以及传统系统的焦深延拓效果.发现采用立方相位编码板的虹膜采集光学系统的焦深延拓效果最佳,其焦深是传统系统的8倍.该系统增大了虹膜采集的距离,对于自然状态虹膜成像系统设计有一定的参考价值.

改进矢量外推Richardson-Lucy算法在波前编码图像复原中的应用

将指数修正嵌入到矢量外推框架中,构建了一种改进的矢量外推Richardson-Lucy算法。以结构相似度因子作为评价指标,优化彩色图像三通道最佳迭代次数,确定矢量外推加速参量与指数修正加速参量最优组合.试验结果表明:改进的矢量外推Richardson-Lucy算法总迭代次数减少了78.9%,能有效抑制噪声放大,无需后续处理就能获得视觉质量更好的复原效果.该研究可为Richardson-Lucy算法在实时波前编码成像中的应用提供参考.

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。

探测器噪声对波前编码成像系统图像复原过程影响的理论研究

波前编码光学系统其成像过程由光学成像和图像复原两部分组成,光学成像过程探测器上所成的编码图像含有噪声,该噪声在图像复原过程将被放大,为了分析探测器噪声对波前编码系统在图像复原过程中产生的影响,通过添加高斯随机噪声来模拟探测器噪声,使用直接逆滤波、维纳滤波和Lucy-Richardson滤波算法,对波前编码成像系统焦点位置和离焦位置的中间模糊图像进行图像复原,并对复原图像评价分析。实验结果表明探测器噪声对波前编码系统的图像复原有较大的影响,验证了波前编码系统对离焦不敏感,并给出含噪声情况下复原滤波器性能的变化。

波前编码离轴三反光学系统图像复原

波前编码技术是一种新兴的"光学-数字"一体化成像技术,可以使光学系统在保持相对孔径及视场角不变的情况下将焦深扩展至原来的10倍左右。然而这种焦深扩展是以降低图像质量为代价的,因此,要通过数字图像处理的手段对由CCD直接采得的图像进行复原,使最终图像质量接近正常水平。介绍了一种针对这类图像的全新的图像复原方法,通过光学设计软件来求取复杂的点扩散函数,在复原过程中引入了正则化因子。应用该方法并对由一个应用波前编码技术的离轴三反光学系统所成的模拟像进行了复原,得到了很好的效果,复原图像的NMSE优于0.019,PSNR优于23.7。而且修改滤波器的某些参数可以使复原图像更适合于人眼观察。

基于波前编码技术红外光学系统无热化研究

波前编码技术是将光学成像与数字图像处理技术相结合,在系统的光瞳处通过添加特殊设计的相位板,对入射光波波前进行重新调制,再经过解码得到清晰的图像,使系统对离焦不敏感,与红外无热化的理念相同。文中比较了原光学系统和采用波前编码系统在不同环境温度下的调制传递函数(MTF),使用Matlab模拟中间光学部分成像并滤波。结果表明:将波前编码技术应用到红外光学系统当中,可以使系统对由环境温度变化引起的热离焦不敏感,达到无热化的目的。

基于MTF一致性的波前编码相位板参数研究

波前编码成像系统因能够在不降低系统分辨率和入射光能量的情况下扩大非相干光学成像的景深(焦深)而倍受关注。在波前编码技术理论的基础上,以波前编码成像系统离焦时的MTF和未离焦时的MTF的均方差来表征系统离焦时的MTF一致性,即系统的离焦不变性,分析得到了三次相位板系数的合理选取范围。利用模糊函数的性质和系统传递信息能力分析相位板系数的选择对系统传递信息的影响,从而确定三次相位板参数选择的依据。