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。     

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。     

提高散斑场纵向相关性的相位编码调制方法

散斑在轴向的退相关现象是制约散斑干涉测量适用性的关键问题之一,为了提高散斑场的纵向相关性,从而提高散斑干涉图像的条纹对比度,扩大物体离面形变的测量范围,提出一种对散斑场进行相位编码调制的方法,即将波前编码技术扩展景深的方法用于散斑场编码,在孔径光阑位置上放置立方型相位板实现相位调制。首先分析了该编码调制方法用于提高散斑场纵向相关性的可行性,然后基于4f系统模拟仿真并实验验证了通过相位编码调制提高编码散斑场的纵向相关性的实际效果。结果表明,编码后散斑的纵向尺寸从0.17 mm提高到0.4 mm,大约提高了2.5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。     

基于PSF重构和改进的最大后验估计的自适应光学图像复原算法

自适应光学(AO)系统为大气湍流提供实时补偿,但AO图像的对比度通常很差,这会导致图像质量下降。本文提出了一种基于点扩散函数(PSF)重构和改进的最大后验概率(MAP)估计的自适应光学图像恢复方法。首先,结合观测条件和AO系统的特点,建立基于波前相位信息的PSF重构模型;其次,基于本文提出的算法,建立了AO图像的迭代求解公式,实现多帧AO图像联合去卷积过程。为了验证本文算法的有效性,对仿真的退化AO图像进行了一系列复原实验。实验结果表明,以"Man"图像为例,与Wiener-IBD、RL-IBD及FS-MLJD算法相比,该算法的峰值信噪比(PSNR)测度分别提高了6.83%,4.47%和2.28%,拉普拉斯梯度模(LS)值分别提高了22.2%,17.9%和12.1%。本文的研究结果对实际的AO图像恢复具有一定的应用价值。     

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。     

视网膜图像的解卷积方法研究

基于自适应光学的激光共焦扫描检眼镜(AOSLO)能够利用自适应光学校正眼底像差,从而对活体视网膜实现高分辨率成像。但是由于波前探测误差、变形境自由度和行程等硬件上的限制,眼底像差不可能完全被校正,并且信号探测器光电倍增管(PMT)存在较大的噪声,因此可以用解卷积的方法进一步提高图像质量。本文改进了增量维纳滤波算法,将迭代步长减为原来的1/5,使迭代不会偏离初始值太远,而增量维纳滤波迭代初始值是由系统中的波前传感器得到相对准确的值。采用上述方法对AOSLO采集到的视网膜细胞层和血管层图像做解卷积,并复原了整个系统的点扩散函数(PSF)。由图像功率谱表明,增量维纳滤波算法能有效去除图像噪声,增加图像对比度。     

利用图像翻转和复域编码的离轴干涉载频消除

提出一种利用图像翻转和复域编码消除离轴干涉载频影响,进而实现相位恢复的方法。方法通过旋转样品干涉图180,得到翻转干涉图。样品干涉图与翻转干涉图首先被复数域编码为一幅合成的干涉图。继而进行傅里叶变换,可通过带通滤波器提取频谱中相互分离的共轭项用于相位恢复。通过逆傅里叶变换,可以获得含有样品干涉图和翻转干涉图的相位分布、载频信息的结果。通过除法运算,载频得以在无需复杂运算、解包裹、系统先验信息的情况下被消除。通过仿真和实验验证了算法的可行性。实验结果表明该方法可获得精确的相位恢复结果。在恢复薄相位样品时,该方法的恢复时间仅为原图像翻转方法的23.32%。     

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。     

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。     

编码掩模红外成像的建模与性能分析

针对编码掩模红外成像系统提出了一种建模方法。该模型将成像系统视为由两个功能部分组成,一部分为编码掩模与理想聚焦透镜的理想成像,另一部分为实际透镜自身的非理想成像。据此,系统点扩散函数可以由掩模结构的衍射模式和实际透镜的点扩散函数联合表示。此外,文中对视场内倾斜入射平面波的成像结果进行分析,从而得到了视场内的点扩散函数的变动情况。由码型及相应点扩散函数的指标评价结果可以看出,文中提出的基于Dammann阵列的码型结构对直接成像和图像还原处理具有较为平衡的性能。实验表明,对于编码掩模直接成像系统的码型中应当具有较多的随机性结构,而对于能够做进一步图像还原处理的系统码型中应当具有较多的周期性结构。     

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。     

利用光学系统优化抑制气动光学激波效应

在大气中超音速飞行的物体的光学头罩与大气之间发生剧烈的相互作用,对光的传输造成影响,这种影响叫做气动光学效应。激波效应是物体与大气相互作用之后最先形成的气动光学效应,激波会使光学系统产生离焦,光学传递函数产生畸变,进而图像质量下降。本文利用采取对称波前编码技术搭建的全焦距信息光学成像系统对目标进行成像仿真,将光学系统传递函数进行优化,一定程度上实现了抑制激波效应对图像带来的影响,并对其进行了简要分析与讨论。     

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。     

基于相干叠加与模均等矢量分解的光学图像加密算法

为了解决光学图像加密技术将密文相位信息主要集中在纯相位掩码中,使其存在轮廓显现问题,该文提出相干叠加与模均等矢量分解的光学图像加密算法。首先,对输入图像进行归一化处理;基于映射,利用输入图像的像素特性,生成其初值,通过迭代映射,输出混沌相位掩码;借助相位掩码,对图像完成调制,并结合Fourier变换,对调制图像进行处理,输出其Fourier频谱;再对该频谱分别进行等模分解,获得两个掩码;再基于不同分数阶的Fourier机制,对两个掩码进行变换;最后,引入相位-幅度截断编码技术,设计单向编码机制,通过激光束的相干叠加,输出编码密文的幅度与相位信息,将相位部分视为编码密文,把幅度信息作为解密密钥。通过等模分解技术,将输入明文演变为4个不同的相位与幅度信息,有效解决了轮廓显现问题。实验结果显示:与当前基于干涉原理的图像加密机制相比,所提算法的安全性更高,有效消除了轮廓显现问题。