基于Zemax大景深波前编码系统优化设计及实现

摘要

大景深的光学成像系统拥有较大的成像空间，能够获取更多的物方信息。波前编码光学成像技术是一种有效延拓景深的方法，它把光学成像和图像处理相结合，通过在光学成像系统的光瞳位置插入相位掩模板，使得点扩散函数(PSF)、调制传递函数(MTF)对离焦不敏感，这样得到的中间图像虽是模糊的，但可使用同一种滤波器进行图像复原，得到最终的清晰图像。与传统光学成像系统相比，波前编码技术不仅极大地延拓了光学成像系统的景深，而且能够校正由离焦引起的各种像差。
　　本文以三次相位掩模板为例，以费希尔信息量为评价函数，提出了基于细菌觅食算法的优化算法，对理想系统中的相位掩模参数进行优化求解。和传统相位掩模设计中采用的模拟退火算法相比，细菌觅食算法具有鲁棒性强、使用简单、运算速度快、易跳出局部最优解的优点。结果表明:使用细菌觅食算法得到的相位掩模参数的波前编码系统对离焦不敏感，使用维纳滤波后可得到清晰的图像。以理想系统为基础的波前编码系统设计不考虑像差，和实际情况不符，因此将优化算法拓展到实际光学系统。以主流光学软件ZEAMX为基础，以双胶合透镜光学系统为例，提出了相位掩模和其他光学元件整体优化的方法进行设计。这种方法和文献中常用的办法相比，考虑了所有的像差，能全面反映系统的光学属性。仿真结果表明:优化后的系统对离焦量和视场角的变化不敏感，获得的中间像的模糊程度一致，使用维纳滤波可复原出清晰图像，适用于实际光学系统。为了验证优化算法结果的可靠性，搭建了一套双胶合波前编码光学实验系统。该系统用液晶光空间调制器来实现相位掩模的调制作用，采用优化得到的相位掩模参数，进行了实际物体的成像实验。通过实测的点扩散函数作为图像复原的反卷积核，采用维纳滤波算法对CCD捕获的中间模糊图像进行解码，得到最终的清晰图像。实验结果表明:波前编码双胶合系统在不影响分辨率的前提下，将景深延拓为传统光学系统的2.7倍。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2．1 相位掩模设计的发展

1．2．2 相位掩模的优化算法

1．2．3 波前编码技术的应用

1．2．4 图像复原技术的研究现状

1．3 本文主要工作

第二章 波前编码技术的理论基础

2．1 波前编码理论

2．1．1 点扩散函数

2．1．2 光学传递函数

2．1．3 三次相位掩模

2．2 液晶空间光调制器

2．2．1 空间光调制器及其种类

2．2．2 空间光调制器调制原理

2．2．3 空间光调制器的常用调制方法

2．3 解码理论

2．4 本章小结

第三章 基于费希尔信息量的波前编码相位掩模的优化

3．1 基于费希尔信息量的评价函数

3．2 优化算法

3．2．1 细菌觅食算法

3．2．2 模拟退火算法

3．3 优化结果

3．4 数字图像处理

3．4．1 无噪声条件下的图像复原

3．4．2 加入噪声条件下的图像复原

3．5 本章小结

第四章 基于Zemax的光学系统设计

4．1 光学设计软件介绍

4．2 光学系统的初始结构

4．3 仿真实验结果

4．3．1 实际光学系统的优化

4．3．2 理想与实际光学系统优化结果对比

4．4 仿真结果分析

4．4．1 成像仿真

4．4．3 数字解码

4．5 本章小结

第五章 实际光学系统的实现

5．1 实验装置

5．2 实验调试

5．2．1 液晶空间光调制器模拟相位掩模

5．2．2 波前编码系统PSF的测量

5．3 成像结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

硕士期间学术成果

致谢