大景深光学成像系统关键技术的研究

在普通光学成像系统中引入相位模板和数字图像复原技术，可以增大系统的景深。本文设计了一种新的由多个等面积环形区域组成的纯相位模板，相邻的环形分区交替补偿高斯物面两侧离焦。同时，基于频域滤波理论和MTF离焦不变性质，给出了相应的不依赖于离焦程度的图像复原滤波器的表达式。系统的MTF曲线、MTF密度图和Spoke图结果表明系统具有大景深特性。通过适当调整模板参量，系统景深可以达到普通光学系统的4倍以上。系统可以应用到生物和医学的显微成像、机器视觉等多个领域。     

波前编码系统中相位掩膜板的新设计

波前编码技术能扩大非相干光学成像系统的景深。根据传统相位掩膜板的设计原理,从两个方面对原有的相位掩膜板农达式进行扩展。由此提出了两种新的设计方案：“多项式”方案和“高次方”方案。前者是在原有的公式中加入了x平方项,而后者是将原有的高次方指数拓展到小数形式。将这两种新系统进行模拟计算,得到了相关的调制传递函数（MTF）数据和三维图,结果显示MTF随离焦量变化很小（当u=1时,均方差分别为0．0027和0．0021）,而且不会出现零值,跟传统方案MTF差值分别在0．05和0．04以内。由此说明新方案也能实现扩大光学系统景深的目的。     

基于相位差异的图像复原方法

相位差异法利用焦面和离焦通道图像存在的固定离焦相位差为先验信息,联合估计波前相位和目标.本文设计了相位差异图像复原实验,利用变形镜模拟大气湍流扰动,通过Offner反射镜搭建反射式成像系统,消除了色差影响和简化了实验光路.实验结果表明,恢复后图像的分辨率提高了12%,验证了相位差异法提高图像分辨率和解算波前相位的能力.因此该方法是大口径光电成像系统克服波前畸变较为理想的图像恢复技术.     

基于高光谱遥感图像的MTF计算与图像复原

遥感图像成像过程受到大气和成像系统中的光学,探测器和电子学子系统等的影响,致使成像作用退化,造成图像模糊,降低了图像中信息的提取能力。本文使用刃边法,选取图像中均匀地物之间灰度变化明显的边缘提取MTF,使用提取的MTF进行基于维纳滤波的图像复原,对刃边法的原理、提取MTF步骤等都进行了详细分析。对复原图像从均值、方差、熵、平均梯度、边缘能量等方面进行了定量分析,结果表明以MTF计算为荩础的图像恢复技术,可以明显地提高高遥感图像质量。     

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.     

图像传感器调制传递函数的矩形模板接触测量

为了方便地测量图像传感器的调制传递函数(MTF),在正弦模板法基础上,提出了矩形模板接触测量的方法。该方法将矩形模板紧贴于图像传感器,使矩形模板直接投射到图像传感器上,从而对图像传感器MTF进行测量。根据模板函数的一个周期占据图像传感器像元的数量情况,对采用正弦模板测得的调制传递函数值,与采用矩形模板测得的调制传递函数值,进行了理论推导和比较,找出了两者的数量关系。采用空间频率为25lp/mm的矩形模板、1280像素×1024像素的CMOS图像传感器进行实验,在对结果进行系数π/4修正后,测得图像传感器在该空间频率处的调制传递函数值为0.25。     

包含光源面积的整体相位衬度调制传递函数

在部分相干光学理论的基础上,建立了一个整体相位衬度调制传递函数理论模型,模型中包含了光源焦点面积大小对X线相衬成像系统相位调制的影响,并通过数值模拟和数据计算,提出了X线相衬成像系统对光源焦点面积的选择原则,和焦点面积确定条件下的成像参数优化方法,结果表明,这种包含X线光源面积因素的相位衬度调制传递函数模型,更能反映整个系统的光学成像性能,更能有利于成像参数的优化设计。     

一种新的最小二乘法图像复原算法的研究

针对模糊图像的复原问题,研究了一类具有约束条件的最小二乘法图像复原算法.在此基础上,提出了具有自适应性质的约束最小二乘法图像复原算法,并通过空域迭代求解,仿真结果表明,该方法很好的再现了原始图像的重要信息,复原图像的峰值信噪比和主观视觉效果等方面都有显著的提高.     

变焦距光学系统降低公差灵敏度的方法

针对高分辨力CCD探测器(1 k×1 k,6.3 μm×6.3 μm),确定了一个可见光波段连续变焦光学系统,传递函数(MTF).接近衍射极限.本文通过公差分析可知前固定组和变倍组的公差灵敏度非常高,对加工和装调提出了苛刻的要求.该方法根据设置前固定组轴向移动补偿和焦面轴向补偿来降低前固定组的公差灵敏度和提高系统成像质量,并分析了前固定组轴向补偿机械结构的可行性.通过分析公差灵敏度产生的原因,提出对敏感表面上的入射角进行合理优化设计以有效降低公差灵敏度.实验结果表明,在不增加成本的前提下降低加工和装调难度,提高系统整体性能.     

自适应逆控制FXLMS算法有源噪声控制仿真研究

前馈有源噪声控制方法可在较宽的频带有效，使之获得了广泛的应用，在前馈有源噪声控制中，直接使用传统的FXLMS算法时，由于次级通道传递函数往往是非最小相位系统，导致系统的性能下降，文中提出一种基于非最小相位系统逆控制的自适应前馈有源噪声控制FXLMS算法，用带宽随机噪声信号和实测风机通风管道噪声信号进行仿真实验研究，结果表明，较传统的FXLMS算法有明显的改进。     

高级像差对人眼成像质量和视觉的影响

定量地研究高级像差对人眼成像质量和视觉的影响对人眼像差矫正具有重要的实验和临床意义.利用Hartmann-Shack波前传感器人眼像差仪测量了正常人眼6mm瞳孔的波前像差,由波前像差计算出人眼光学系统的光学调制传递函数MTF和Strehl比率,并由MTF和视网膜空间像调制度AIM曲线计算出人眼视锐度和对比敏感度函数CSF.根据MTF和Strehl比率分析了高级像差对人眼成像质量的影响,根据视锐度和对比敏感度函数CSF分析了高级波像差对视觉的影响.研究表明Zernik前6级像差对人眼成像质量和视觉的影响是不可忽略的,更高级的像差对人眼成像质量和视觉的影响较小,甚至可以忽略.对Zemik前6级像差进行矫正,可以得到相当好的视觉.     

两种排列方式光纤传像束的像质评价

根据调制传递函数对比度定义,推导了线列光纤传像束调制传递函数(MTF)的数理关系,建立了光纤直径有随机误差的线列光纤传像束MTF仿真模型,对MTF进行数值分析。通过考虑在光纤传像束中输入信号与光纤的位相匹配对MTF的影响,分析了V型槽排列和紧密排列两种不同方式的光纤传像束的平均MTF。结果显示,有随机误差的光纤束的平均MTF值分别分布于理想传像束平均MTF曲线附近,表明了光纤自身的误差对传像束的平均MTF影响不大;V型槽排列的线列光纤束的像质优于紧密排列方式的线列光纤束。     

CMOS APS图像传感器的像质分析

使用标准CMOS制作工艺生产的有源像素传感器（APS）引起了广泛关注。为了确定CMOS APS成像系统设计的主要参数选择的正确性,以及能否满足要求或指标,需要对相机系统的像质进行分析。考虑到CMOS APS图像传感器与CCD的不同,在分析时计算了CMOS APS成像系统中的镜头、滤光片和焦平面的调制传递函数（MTF）,系统MTF曲线为各个部分MTF值之积。在系统截止频率范围内,利用MTF曲线所围面积的大小来评价系统的成像质量。在系统制造之前,用调制传递函数作为像质的评价方法,看其是否符合使用要求,是十分有价值的工作。     

投影机镜头的MTF实时检测系统

目前还没有标准的方法来检测投影机镜头的MTF,为此我们提出了一种基于图像分析的投影机镜头MTF实时测试系统.本系统使用CCD作为成像接收器,采用基于图像分析的方法,通过分析单个像素成像同时获得投影镜头子午和弧矢两个方向上的调制传递函数(MTF).阐述了整个测试系统的构造及理论框架,着重分析了系统参数标定的重要性以及如何正确地进行系统参数标定;全面分析了影响测试结果的因素以及如何正确快速地修正噪声的影响.检测了质量合格与质量不合格的投影机镜头,并将结果同设计值的进行比较,实验结果表明了本系统及其处理方法的有效性.     

非球面人工晶体设计及其光学性能研究

提出了非球面人工晶体的设计思路及方法,即根据个体人眼的角膜地形图,将其转换为波前图,获得Zemike系数Z40(球差)项,在该球差值基础上设计并得到非球面人工晶体结构参数.对植入9.5D和20.5D人工晶体的两实际患眼成像质量的模拟分析表明:以本丈方法设计的非球面人工晶体在对人眼系统的MTF,对比敏感度及离焦MTF的改善上都明显优于传统的球面人工晶体,光学性能良好.本文为非球面人工晶体的设计提供了切实可行的方法,并为其在临床上应用提供了一定的理论基础.     

DQE measurement in a scintillating glass optical fiber detector for X-ray imaging

An example of the measurement of detective quantum efficiency is illustrated for a scintillating glass optical fiber detector used in X-ray imaging. We have shown the necessity to filter the input Poisson noise of the incoming beam, by the MTF (Modulation Transfer Function) of the detector, in order to obtain the real DQE (Detective Quantum Efficiency).     

圆孔阵列对“猫眼”目标成像质量的影响分析

利用圆孔阵列光强调制作用可以有效减弱光学窗口的“猫眼”效应,同时也会对“猫眼”目标成像质量产生一定不利影响.考虑到利用调制传递函数(MTF)可对光电仪器成像质量进行综合评价,分别给出了测试望远系统和微光夜视系统MTF的数学模型,利用自行研制的光学仪器MTF数字化检测系统,实现了这两种典型“猫眼”目标MTF的数字化检测.结果表明,圆孔阵列在全空间频率上均使“猫眼”目标的MTF有所下降,且孔径较小、孔阵较密的圆孔阵列对“猫眼”目标MTF的影响较小,这为合理设计圆孔阵列结构以减小对“猫眼”目标成像质量的影响提供了可靠的实验数据.     

测量视觉系统MTF的一种客观方法

视觉系统的光学调制传递函数( MTF ),通常采用以大脑知觉为基准,对客观物理刺激进行主观评价的心理物理方法来测量。利用哈特曼-夏克波前传感器测量视觉系统的波像差,再由波像差和瞳函数的自相关,即可得出视觉系统的MTF。与心理物理方法相比,该方法不受被测试者情绪和心理状态的影响,并克服了测量过程繁琐的缺陷,具有客观、简便、快捷的特点,测量的全过程仅需3分钟。     

Corneal changes induced by laser ablation: study of the visual-quality evolution by a customized eye model

This study focuses on the changes induced in both the asphericity and homogeneity of the cornea for a group of myopic eyes undergoing LASIK surgery. Eyes were characterized by a Kooijman-based customized eye model in which changes were introduced in the form of Gaussian-distributed refractive-index variations of given correlation length for the inhomogeneities and in the form of an expression, based on the modified Munnerlyn's paraxial formula, for the post-LASIK asphericity. Visual quality was evaluated in terms of the Modulation Transfer Function and the Point-Spread Function. The results show that, on average, the evolution of visual acuity is consistent with the change in corneal asphericity, while the evolution of contrast sensitivity requires a loss in corneal homogeneity in order to be explained. By including both effects in the model, the overall model performance in predicting visual quality is improved.