波前编码应用于红外光学系统无热化的研究

波前编码技术是通过在光学系统的光阑位置放置位相板,对波前进行调制,使得光学系统对离焦类像差不敏感,从而增大了焦深,通过对中间模糊图像的数字滤波处理,可以获得清晰图像.焦深延拓的特点使该技术在红外光学系统无热化方面具有很好的应用前景.设计了一个有效焦距厂为100mm,F数为1.2,工作波段为7.5～13.5μ,m,工作距...     

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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

基于波前编码的红外光学系统消热差设计研究

消热差是红外光学系统设计的重要环节之一,本文介绍使用波前编码技术进行红外光学系统消热差设计的原理及方法,分析波前编码的基本原理,给出波前编码光学系统调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)的表达式.在此基础上,以三片式长波红外光学系统为例,利用ZEMAX光学设计软件分析其在常温(+20℃)、-40℃和+60℃下的成像质量.分析结果表明,该系统在常温下的成像质量接近衍射极限,但是当温度在-40～+60℃之间变化时,MTF值迅速下降且出现零点,说明系统的成像质量急剧恶化,不再满足使用要求.加入波前编码相位版进行消热差设计后,MTF值对温度不再敏感,在不同温度下可以得到较为清晰的目标图像,表明波前编码技术可以实现红外光学系统的消热差设计.     

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。     

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。     

波前编码Schmidt系统的设计

利用波前编码技术实现了Schmidt系统在-60℃~+60℃的无热化设计。以视场角为±4°、相对口径为1/2的经典Schmidt系统为研究对象,设置一个三次立方表面作为波前编码表面。以传递函数大于零为约束条件,在尽可能大的离焦量范围内对波前编码表面的参数进行优化,得到了离焦量达士0.6 mm的Schmidt系统,焦深比经典的Schmidt系统延拓了20倍。分析了不同温度下的弥散斑和传递函数数据。结果表明,该波前编码Schmidt系统在-60℃~十60℃间具有良好的温度适应性,而且光学性能稳定,便于进行后续的图像复原。     

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。     

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。     

疵病检测中适用于不同倍率物镜的波前编码板优化设计

为了更有效地对光刻投影物镜进行疵病显微检测 ,通过对波前编码(WFC)板上光线入射角度及其系数之间变化关系 的分析,设计和优化了一个可以同时适用于5X、10X显微物镜的WFC板。设计 结果表明,加入优化设计的WFC板后,分别对5X、10X和 20X显微物镜延拓了3到10倍的景深; 同时,光学系统的调制传递函数(MTF)在空间截止 频率附近都能保持较好的数值,保证了其应有的分辨率。通过成像仿真实验,对比了加 入WFC板前后的不同倍 率显微物镜的离焦成像能力。结果表明,所设计的WFC板对不同倍率的显微物镜都 有良好的景深延拓能力,在疵病显微检测中具有良好的适应性和有效性。     

一种在离焦情况下获得高分辨率图像的新技术

在遥感、军事侦察和医疗成象等领域,需要得到目标的高分辨率图像．而像面离焦直接影响了成像质量、降低了空间分辨率．为了得到高分辨率图像,往往采用自动焦面补偿装置或温控系统来克服离焦现象,但这又不利于仪器的小型化和轻量化．本文提出,在光学系统光路中加入一特殊设计的非球面掩模板,并对经过位相掩模板后的图像进行图象处理得到清晰图像．使光学系统在大离焦量的情况下仍可获取高分辨率的图像．这对于光学遥感器在复杂的空间环境中获取高分辨率图像具有十分重要的意义。     

超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响,其传播方向和相位会发生变化,使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象,给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影（Background Oriented Schlieren,BOS）原理开发的基于BOS的波前传感（BOS-based Wavefront Sensor,BOS-WS）技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数（Point Spread Function,PSF）分布以及退化图像,研究结果表明:测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比,在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大,PSF峰值出现衰减,PSF峰值位置出现较为明显的偏移,PSF形态出现多峰现象,湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现,经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。     

Hierarchical dynamic range coding of wavelet subbands for fast and efficient image decompression.

An image coding algorithm, Progressive Resolution Coding (PROGRES), for a high-speed resolution scalable decoding is proposed. The algorithm is designed based on a prediction of the decaying dynamic ranges of wavelet subbands. Most interestingly, because of the syntactic relationship between two coders, the proposed method costs an amount of bits very similar to that used by uncoded (i.e., not entropy coded) SPIHT. The algorithm bypasses bit-plane coding and complicated list processing of SPIHT in order to obtain a considerable speed improvement, giving up quality scalability, but without compromising coding efficiency. Since each tree of coefficients is separately coded, where the root of the tree corresponds to the coefficient in LL subband, the algorithm is easily extensible to random access decoding. The algorithm is designed and implemented for both 2-D and 3-D wavelet subbands. Experiments show that the decoding speeds of the proposed coding model are four times and nine times faster than uncoded 2-D-SPIHT and 3-D-SPIHT, respectively, with almost the same decoded quality. The higher decoding speed gain in a larger image source validates the suitability of the proposed method to very large scale image encoding and decoding. In the Appendix, we explain the syntactic relationship of the proposed PROGRES method to uncoded SPIHT, and demonstrate that, in the lossless case, the bits sent to the codestream for each algorithm are identical, except that they are sent in different order.