基于立方型相位板调制的波前编码图像恢复

针对立方型相位板对光瞳调制具有非旋转对称性及实际相位板方位测试困难从而导致实际波前编码系统后续图像不能准确恢复的问题,提出了以灰度梯度向量模方和为判据的等增量旋转调整点扩散函数(PSF)的维纳滤波方法。对于手持式裂缝检测波前编码系统的图像恢复,以ZEMAX软件设计得到的PSF为基础,根据立方型相位板PSF的旋转性质,进行旋转增量修正,并使用循环边界的方法消除截断振铃效应,来提高图像恢复的质量。实验表明,改进算法可以有效地修正系统的PSF,对波前编码实际系统图像的恢复有很好的适用性。     

基于波前编码的大焦深弹载双色红外探测系统

波前编码技术通过在光学系统光瞳位置加入特殊的相位掩模板,对目标信号光波进行编码调制,并在图像处理端对该编码信号进行解码而恢复原图像,由于被编码调制后的波前对离焦等像差的不敏感度扩大了十数倍,能显著扩大光学系统焦深。因此,波前编码技术能在编码与解码之间解决恶劣力热条件或多色制导体制对弹载红外探测系统带来的离焦和对准误差。文中基于波前编码扩大焦深基本原理,对一长长双色红外光学系统进行了10倍焦深扩大的波前编码像差钝化设计。集成样机后,进行了波前编码成像实验。以小孔点靶编码像作为PSF解码10倍离焦位置处的十字靶和四条靶图像,十字靶和四条靶解码图像清晰可辨,证明波前编码技术对于系统像差或离焦像差的抑制是有效的。最后,对波前编码成像效果进行了分析:解码图像的水波纹是由于空间采样PSF不足导致的,可提取不同视场位置PSF,使用空间变化解码算法实现条纹消除;由于解码图像会在放大信号的同时放大噪声,因此,解码算法需要进一步研究噪声抑制算法,以期满足弹载高能量、高信噪比应用的要求。     

波前编码技术在同轴三反系统的应用及其分析

在轨运行的空间相机受到温差或运动振动等影响导致像面离焦, 成像质量下降。波前编码技术可以在保持光学系统整体参数不变的情况下扩展系统的焦深, 使调制传递函数对离焦不敏感。将波前编码技术应用于空间同轴三反系统, 提出在系统的出瞳面上加置掩模板, 并对掩模板的面型进行优化, 对原系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了分析和对比。讨论了波前编码掩模板的相位因子对系统的焦深延拓以及对像质的影响。理论及仿真结果表明: 将波前编码技术应用于同轴三反系统, 使系统对离焦不敏感, 可以很好地扩大系统的焦深, 对解决空间光学系统像面离焦问题具有很高的实用价值。     

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。     

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

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.     

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。     

基于波前编码的扩展景深短波红外成像系统

短波红外波段具备全天时、全天候成像的优良潜力，借助焦平面探测阵列在现代社会发挥着日益重要的作用。为了解决短波红外成像系统的离焦问题以提升平台适用性，将波前编码技术引入短波红外波段。针对无法配置调焦机构的轻小型短波红外成像系统，在光瞳位置放置三次方型相位板扩展景深。将相位板参数转换为径向坐标系数，利用调制传递函数一致性和图像可恢复性优化该系数。利用640 pixel×512 pixel的短波红外图像仿真波前编码成像性能，通过Lucy-Richardson经典算法还原中间模糊图像。光学设计和图像仿真结果表明，波前编码系统至少在±20倍景深范围内能够有效降低系统对离焦的敏感性，复原图像峰值信噪比最高可达38.5038 dB。     

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"光学一数字"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.     

环形孔径折叠成像系统的光-数联合无热化设计

环形孔径折叠成像系统通过光路折叠可以实现光学系统的小型化。然而环形孔径折叠成像系统由于仅使用一块基底材料,且没有补偿镜,无法通过光学被动无热化实现宽温度范围的高质量成像。为了减小温度对成像质量影响的同时简化光学系统结构,引入波前编码的方法来设计光-数联合的环形孔径折叠成像系统。文中研究了光-数联合的环形孔径折叠成像系统设计原理,推导了遮拦比与相位掩膜板参数的关系,以实现离焦一致性。在图像解码部分,文中研究了不同权重下的点扩散函数(PSF)的图像复原效果,通过模拟退火算法构建了合成PSF模型。根据理论分析设计了光-数联合的环形孔径折叠成像系统,焦距为70 mm,系统总长为25 mm,F数为1,全视场8°。在-40～60℃范围内,高温和低温下的峰值信噪比(PSNR)比其他方法分别提高了4.709 0 dB和5.044 2 dB,实现了单一滤波器的图像复原。文中研究在简化红外成像光学系统的同时,采用光-数联合的方法克服了环形孔径折叠成像系统的温度限制,为宽温度范围红外系统小型化提供了新的思路。     

不同光瞳对波前编码成像系统的影响

波前编码成像技术是一种光学编码和数字解码相结合进行景深延拓非常有效的技术.为了深入研究波前编码成像系统的成像性能,在介绍了波前编码成像原理的基础上,通过对比分析方形光瞳和圆形光瞳在编码前后分别对应不同离焦情况下的点扩散函数PSF和相应光学系统的模拟成像,得出:在传统光学系统中,圆形光瞳的离焦抑制能力优于方形光瞳;而在波前编码光学系统中,方形光瞳的离焦抑制能力明显优于圆形光瞳.这一结果对光学系统设计工作者具有非常重要的参考价值.     

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1m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。     

面向图像复原的广义岭估计模式法波前重构

为了提高自适应光学图像的复原效果,提出了一种面向图像复原的广义岭估计Zernike模式波前重构算法。首先,按照用时间换精度的思路,把广义岭估计引入自适应光学波前重构算法中。改善最小二乘估计的奇异性,抑制波前测量误差的放大。然后,引入迭代计算提高方程的解算精度,进一步提高点扩散函数(PSF)重建质量。最后,利用广义岭估计重建的PSF对降质图像进行复原实验验证PSF的重建质量。实验结果证明,广义岭估计PSF的复原效果比最小二乘估计PSF高约15%,更接近成像系统的光学衍射极,同时复原计算迭代次数也减少了35%。新算法重构的PSF在图像复原中有更好的图像重建效果。     

无衍射光的大焦深成像系统及图像复原

提出了一种光学、数字图像处理技术相结合的可扩大光学系统焦深的新型成像技术.利用轴锥镜产生无衍射光,无衍射光束具有中心光斑直径小且传播距离远的特性,将无衍射光理论与技术应用到成像系统中可加大焦深且无需调焦.介绍了大焦深成像系统的基本原理,分析了系统的焦深,建立了大焦深成像系统实验模型,并用图像复原方法对实验图像进行了较好的恢复.实验结果证明采用无衍射光与图像处理技术相结合增大成像系统焦深的方法能使成像系统在较大的范围内有较好的成像质量.     

同轴分区相位板对双曲余弦高斯光束的焦深调制效应

研究了同轴分区相位板对双曲余弦高斯光束焦点区域光强分布和焦深的影响.相位板由三个同心圆域组成:中心圆区,内圆环,外圆环.其相位变化分别是0,φ,0.即内圆环的相位变化是可调的.模拟结果表明焦点区域光强分布形状随着各区域半径的改变而变化.增大内圆环的外半径,焦深沿轴向变大,相位板可以调节光学焦深,并且可调的范围很大.内圆环的相位变化也影响焦深的大小,当相位变化φ为π时,焦深的变化效果达到最大值.     

一种提高数字全息自适应光学系统成像分辨率的方法

结合传统光学成像系统的性能评价方法,在数字全息自适应光学系统中利用点全息图的自相关函数来评价系统的成像性能。受白噪声的自相关函数近似为狄拉克函数的启发,通过增加点全息图的随机性,使其自相关函数接近狄拉克函数,以提高数字全息自适应光学系统的空间分辨率。提出一种使用随机相位板来增加点全息图的随机性,进而提高数字全息自适应光学系统成像分辨率的方法。对该方法进行数值模拟,研究随机相位板像素个数和随机相位均方差对系统成像分辨率的影响,并在实验室内搭建实验光路对该方法进行实验验证。实验结果表明,使用随机相位板能够有效提高数字全息自适应光学系统的成像分辨率。     

应用于TMA系统的智能光瞳技术(英文)

离轴三反消像散(TMA)光学系统由于可以同时实现长焦距和大视场,被认为是新一代空间光学系统、尤其是紧凑型系统的首选。为提高系统性能,提出了通过调制出瞳函数改善系统质量的智能光瞳技术,包括波前编码、相位参差以及主动变形镜技术。针对某TMA系统,详细介绍了应用波前编码技术的系统设计结果、应用相位参差技术的波前探测及应用主动变形镜的波前校正实验。实验结果表明,智能光瞳技术的应用确实可以提升系统质量。     

反射型LCOS显示板用于人眼波前像差校正的研究

采用基于硅基板的反射型液晶显示器件(LCOS)进行人眼波前像差校正的研究.理论分析了LCOS显示器件的光学调制特性,在合适的参数条件下,LCOS可工作在偏相位调制状态下.LCOS作为波前校正器和哈特曼传感器结合构成一个自适应闭环校正系统,校正在成像光路中引入的具有人眼波前像差特点的静态波前畸变,实验结果标明LCOS可以有效地校正光学成像系统中的波前畸变,校正后像差的RMS值小于0.1 μm.LCOS器件作为相位校正元件在人眼波前像差校正和视网膜成像系统中具有良好的应用前景.     

基于剪切波域改进Gamma校正的医学图像增强算法

通过傅里叶光学理论和透镜成像理论对轴棱锥线 聚焦与凸透镜点聚焦两种成像系统进行分析, 并探讨了它们对成像系统焦深的影响。利用ZEMAX光学设计软件,仿真模拟出系统在不同轴 向距离的截面 光强分布图。以蓝光LED为光源,对这两种成像系统进行实验验证,拍摄不同轴向距离处的 截面光强分布 图。结果表明,轴棱锥所具有的线聚焦特性,能将光线连续地会聚到沿轴线不同位置上,图 像的清晰度高, 且在最大无衍射距离内无需调焦,具有更大的焦深;理论分析、仿真模拟与实验结果相吻合 。     

利用相位恢复波前传感技术检测球面镜面形

为了验证相位恢复波前传感器系统波前检测的能力,搭建了基于相位恢复测量方法的波前传感器检测球面镜面形的实验平台。该平台结构简单,抗震动,可以在对光路不进行任何改变的前提下,利用成像系统上已有的相机对整个光学系统进行在位检测。为了验证相位恢复波前传感器测量方法的准确性,将相位恢复波前传感器测量结果与ZYGO干涉仪测量结果进行比较,实验结果表明在面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和方均根值(RMS)上,两者具有极大的相似性,所以利用相位恢复波前传感器技术能有效地检测出球面镜的面形误差。     

环带型波前编码大景深相位模板的设计和优化

圆对称相位模板的设计是波前编码成像技术中的重要内容。通过对衍射成像理论中的广义光瞳函数的分析,提出了一种可以增大光学成像系统景深的环带型相位模板(APM)。为得到满足成像系统景深及分辨率具体需求的相位模板最优参数,建立了针对圆对称型相位模板的优化模型,并对APM以及四次方型相位模板(QPM)进行了优化。仿真结果表明:使用APM的系统具有良好的离焦不变性,且对高斯物面前后相同程度的离焦具有相似的成像特性。最后,给出了一种景深增大倍数的定量判断方法,结果表明APM的景深增大能力优于QPM。