大景深光学成像系统的研究

摘要

增大非相干光学成像系统的景深近年来一直是应用光学领域的研究热点，这是因为大景深光学成像系统可以应用于很多领域，比如可以应用于机器视觉、生物或医学显微成像、光学遥感等领域。1960年Welford提出了利用环形孔径增大景深。自此以后，又涌现出了很多方法，比如，能量吸收切趾器法，序列图像融合法，特殊设计镜头结合图像后处理法，光瞳面内的相位模板结合图像后处理方法，三维全息等。当前活跃研究集中在普通光学成像系统中引入相位模板并结合数字图像复原技术来增大光学成像系统的景深。在光学部分，处在光瞳面处的相位模板改变成像波前从而得到不随离焦变化的中间图像；在图像处理部分，通过不依赖于聚焦状态的数字滤波器对中间的图像进行处理以得到大景深图像。本文对大景深光学成像系统进行了研究。 ⑴基于标量衍射理论建立了大景深成像系统的理论模型，研究了立方相位模板和指数相位模板对应系统的特性。从大景深成像系统实际所需要的景深、分辨率以及最小幅度传递函数MTF响应值出发，设计了相位模板的个性化优化设计模型。在设计景深、分辨率范围内，以保证系统的MTF值大于设定的最小MTF响应值为优化边界条件，以不同离焦对应的光学传递函数的Fisher信息的积分作为优化目标函数。对波前编码系统的立方相位模板CPM和指数相位模板EPM进行了几组优化设计。 ⑵基于非相干大景深光学成像系统的点扩散函数的离焦不变性，并利用稳相法积分近似方法，推导出四次多项式圆对称相位模板，并利用优化模型得到了几组优化参数。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，相邻的环形分区用于交替补偿高斯物面两侧离焦。通过适当调整模板参数，可以使得系统景深达到原来的4倍以上。总结了方形孔径相位模板和圆对称型相位模板对应系统的优缺点。 ⑶研究了处在像差容限值范围内的初级像差对相位模板对应大景深成像系统的影响。基于频域滤波理论和大景深成像系统的光学传递函数，设计了大景深图像复原滤波器的表达式，可以实现对景深范围内得到的所有中间图像进行复原。最后，在光学设计软件Zemax中设计了利用文中几种相位模板的大景深光学成像系统。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1大景深的概念

1.2大景深光学成像系统的应用

1.3国内外研究历程及现状

1.3.1经典的增大景深的方法——缩小孔径

1.3.2国外研究历程及现状

1.3.3国内研究现状

1.4本文工作及创新之处

1.4.1本文工作

1.4.2本文创新点

第二章 大景深光学成像系统的理论基础

2.1标量衍射理论

2.1.1亥姆霍兹和基尔霍夫积分定理

2.1.2平面屏幕衍射的基尔霍夫理论

2.1.3平面屏幕衍射的瑞利-索末菲理论

2.1.4准单色光条件下的瑞利-索末菲衍射公式

2.2菲涅耳衍射理论

2.3准单色光照明下的透镜衍射成像理论

2.4光学成像系统的频域分析

2.4.1相干光学成像系统的频域分析

2.4.2非相干光学成像系统的频域分析

2.5普通光学成像系统的成像特性分析

2.5.1方形孔径对应成像系统的特性

2.5.2圆形孔径对应成像系统的特性

2.6大景深光学成像系统的理论基础

2.6.1广义光瞳函数

2.6.2大景深光学成像系统的理论基础

2.7本章小结

第三章增大景深的方形孔径相位模板

3.1大景深相位模板设计出发点

3.2波前编码成像系统立方相位模板CPM以及其他相位模板

3.2.1模糊函数定义以及与OTF的关系

3.2.2 CPM相位模板的获得

3.2.3 CPM相位模板对应成像系统的特性

3.2.4其他方形孔径相位模板

3.2.5方形孔径相位模板的扩展——多项式型相位模板

3.3基于OTF-Fisher信息量的个性化相位模板优化设计

3.3.1优化模型

3.3.2 CPM和EPM相位模板的优化设计

3.4方形孔径相位模板对应成像系统的优缺点

3.4.1方形孔径相位模板对应系统的优点

3.4.2方形孔径相位模板对应系统的不足

3.5本章小结

第四章 增大景深的圆对称相位模板

4.1四次多项式型圆对称相位模板

4.1.1相位模板的理论推导

4.1.2相位模板参数的优化

4.1.3相位模板所对应系统的特性

4.2多环分区圆对称相位模板

4.2.1多环分区圆对称相位模板的理论出发点

4.2.2多环分区圆对称相位模板的结构

4.2.3多环分区圆对称相位模板的简化

4.2.4多环分区圆对称相位模板的参数分析

4.2.5多环分区圆对称相位模板对应系统的特性

4.3圆对称相位模板对应成像系统的优缺点

4.3.1圆对称相位模板对应系统的优点

4.3.2圆对称相位模板对应系统的不足

4.4本章小结

第五章 初级像差影响以及大景深图像复原

5.1初级像差对几种相位模板对应系统的影响

5.1.1初级像差相位因子及其像差的容限条件

5.1.2初级像差对CPM相位模板对应系统的影响

5.1.3初级像差对多环分区圆对称相位模板对应系统的影响

5.2大景深图像复原

5.2.1大景深图像复原的基本思路

5.2.2方形孔径相位模板对应系统的图像复原

5.2.3圆对称型相位模板对应系统的图像复原

5.3本章小结

第六章大景深光学成像系统的光学设计

6.1大景深成像系统的原型

6.2方形孔径相位模板大景深成像系统

6.2.1立方相位模板大景深成像系统(CPM-EDOF)

6.2.2指数相位模板大景深成像系统(EPM-EDOF)

6.3圆形孔径相位模板大景深成像系统

6.3.1四次多项式圆对称相位模板大景深成像系统(QPPM-EDOF)

6.3.2多环分区圆对称相位模板大景深成像系统(MAPM-EDOF)

6.4多环分区圆对称相位模板的加工及实验

6.4.1多环分区圆对称相位模板的加工

6.4.2多环分区圆对称相位模板的实验

6.5本章小结

第七章 总结和展望

7.1总结

7.2大景深成像系统的方案

7.3展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢