[发明专利]基于波前编码超大景深成像系统

说明书

本发明属于光学领域，涉及一种基于波前编码超大景深成像系统，包括波前编码成像镜头、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元，波前编码成像镜头包括第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片以及第五镜片；第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片、第五镜片、1/1.8英寸图像探测器以及解码处理单元依次设置在同一光路上，同时对波前编码成像镜头，尤其是第一镜片、第二镜片、相位掩膜板、第三镜片、第四镜片以及第五镜片的参数进行限定。本发明提供了一种可以同时实现大相对孔径、超大景深以及较大视场的基于波前编码超大景深成像系统。

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种景深成像系统，尤其涉及一种基于波前编码超大景深成像系统。

背景技术

扩展光学成像系统的景深一直以来都是学术界研究的热点，从20世纪80年代中期开始，虽然形形色色的方法被提出用于景深扩展，但是直到美国科罗拉多大学的Dowski博士和Cathey教授于1995年提出波前编码的概念之后，景深延拓才有了真正意义上的突破。

以一维光学系统为例，其离焦光学传递函数OTF(Optical Transfer Function)可以通过广义光瞳函数的自相关运算来获得，如下所示：

其中，u和x分别是归一化的空间频率与孔径平面横向坐标；W20是最大离焦波像差系数；k是波数；而f则代表相位板通用表达式。

对于传统成像系统来说，上式中的f项不存在，因此可以轻松得到离焦OTF的具体表达式为：

可以看到，当系统未引入相位板时，其OTF对离焦是非常敏感的，而且会在频率空间周期性地出现零点，从而造成不可逆的信息损失。但是一旦将E.R.Dowski博士所发明的三次方相位板(f(x)＝αx3)引入到光学系统的入瞳面上之后，通过静态相位近似法就可以得到一个完全不同的离焦OTF，如下：

显而易见，此时离焦OTF的模，即MTF与离焦波像差系数是无关的，也就是说三次方相位掩膜板可以使系统MTF(Modulation Transfer Function)对离焦不敏感；虽然OTF的相位部分与离焦参量W20有关，但是只要调制因子α增大，其对W20的依赖度就会显著降低。同时最为重要的是，在添加了相位掩膜板之后，MTF在有效频率范围之内只是在幅度上有一定程度的下降，而不存在零点或近零点，即系统出现离焦时，超出原始系统景深范围的信息并没有丢失，之后通过数字图像复原算法就可以被有效地恢复。同时，由于相位板对系统的通光量和分辨率都不会造成影响，所以波前编码是一种非常不同于缩小孔径法、中心遮拦法或切趾法的新型大景深成像方法。