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扩大景深的波前编码系统成像特性研究

作　者: 付强
导　师: 范志刚
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学工程
关键词: 波前编码景深延拓成像特性相位板参数优化维格纳分布函数
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在大孔径摄影术、生物三维显微成像、光存储、机器视觉等许多实际应用中,在保持成像系统成像质量的同时扩大成像系统的景深范围具有十分重要的价值。研究者们提出了多种景深延拓的方法,其中扩大景深的波前编码成像技术由于其独特的优点成为了目前研究的前沿。波前编码成像技术将光学技术和数字图像处理技术相结合,通过相位掩膜板对被摄物体进行编码,即使得光学系统的光学传递函数和点扩散函数对离焦像差不敏感,避免部分空间频率的丢失。成像时在各离焦位置得到模糊的中间图像,再对所得的中间图像进行解码,恢复出清晰图像。从而达到在保证系统的光通量和成像分辨率的情况下,实现增大景深的目的。同时还可以抑制球差、色差、象散、匹兹凡面弯曲以及由安装误差和温度变化引起的离焦带来的像差。波前编码系统具有传统光学系统一些无法获得的优越的成像性能,具有非常广泛的应用前景。波前编码成像系统与传统光学系统在成像过程中存在本质不同,其成像特性与传统光学系统成像特性也存在诸多差异,本文从空间域和频率域两个方面利用维格纳分布函数(Wigner Distribution Function)、菲涅耳积分(Fresnel Integral)和科纽螺线(Cornu Spiral)的图解方法等数学工具对扩大景深的波前编码成像系统的一些重要特性进行了阐述和分析,并对波前编码系统的相位板参数优化提出了新的评价准则,主要包括以下四部分:(1)从空间域上利用维格纳分布函数对波前编码成像系统点扩散函数的“平移不变”特性进行了研究,分析比较了在几种不同形式相位板下系统点扩散函数的差异。同时使用点扩散函数近似解析表达式分析了三次相位板波前编码系统点扩散函数的边界、带宽与振荡等特性;(2)从频率域上利用菲涅耳积分表示出三次相位板波前编码系统光学传递函数的精确表达式,分析了三次相位板的空间滤波特性,并给出了系统有效带宽公式。同时利用科纽螺线的图解方法从一个全新视角——几何上说明了波前编码系统光学传递函数对离焦像差的不敏感性;(3)提出了相位板参数优化新的评价准则,即基于希尔伯特空间角的相位板参数优化方法。此方法在兼顾图像恢复过程中所需的信噪比的同时,使点扩散函数在各离焦位置具有较高的一致性;(4)给出了一个设计实例,在三次相位板上应用基于希尔伯特空间角的相位板参数优化方法获得的最佳相位板参数使系统焦深扩展了10倍。分别在空间域及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和维纳滤波对中间模糊图像进行复原。仿真实验结果表明使用该方法优化得到的相位板参数的波前编码系统,可以大幅度提高光学系统的景深。

扩大景深的波前编码系统成像特性研究

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