[發明專利]一種基于反正弦型相位掩膜板的波前編碼成像系統

在審

• 申請號: 202110268598.2
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113031260A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 吳云龍;王磊;葉慶;孫曉泉;孫可
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 封睿

本發明提出了一種基于反正弦型相位掩膜板的波前編碼成像系統，包括波前編碼成像鏡頭、面陣探測器、圖像處理器件和輸出顯示器件，所述波前編碼成像鏡頭中設置新型反正弦型相位掩膜板，其相位調制函數包括平方項和反正弦項兩個部分，目標經過波前編碼成像鏡頭，在面陣探測器上形成模糊的中間像，面陣探測器采集輸出的模糊圖像數字信號由圖像處理器進行放大、濾波和重構處理，形成清晰的數字圖像給輸出顯示器件輸出和結果顯示。本發明采用反正弦型相位掩膜板，能夠使光電探測器能在較大的焦深范圍內移動而不顯著改變系統的點擴散函數，有效的降低了光學成像系統對離焦的敏感性，同時不會造成圖像信息的丟失。

技術領域

本發明涉及波前編碼成像系統，具體涉及一種反正弦型相位掩膜板及基于該相位掩膜版的波前編碼成像鏡頭和系統。

背景技術

擴展光學成像系統的焦深一直是相關研究人員關注的熱點問題。波前編碼技術是科羅納多大學的Cathey和Dowski于1995年提出的一種用于延拓系統焦深的數字-光學綜合成像技術，它結合了傳統光學成像與數字圖像處理。波前編碼成像系統基本原理如圖1所示，一塊立方相位掩膜板被置于光學系統光瞳位置，對入射物光波前進行相位調制，使波前編碼成像系統產生對離焦不敏感的調制傳遞函數(MTF)或點擴散函數(PSF)。

波前編碼成像系統的離焦MTF在截止頻率范圍內沒有零點，即沒有造成信息的徹底丟失，因此可以通過對模糊中間像進行簡單的逆濾波或解卷積復原出清晰的圖像。編碼技術可以克服光學系統的裝配誤差，補償系統結構設計所引入的諸如球差、色散、場曲等高階像差，從而增大系統焦深。因此，位于光瞳位置的相位掩模板是系統焦深延拓性能的關鍵。

目前，波前編碼系統中的相位掩膜有多種函數形式，其中最具代表性的是Colorado大學的Cathey和Dowski于1995利用模糊函數分析法推導出來的立方相位掩膜板(CPM)，該相位掩膜板首次展示了波前編碼成像在焦深延拓和畸變補償上的優越性，但同時存在離焦調制傳遞函數(MTF)高頻部分波動較大導致其重構圖像高頻成分損失嚴重的缺點。

發明內容

本發明的目的在于提出了一種反正弦型相位掩膜板及基于該相位掩膜版的波前編碼成像鏡頭和系統。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種反正弦型相位掩膜板，其相位調制函數包括平方項和反正弦項兩個部分，具體為：

f_arcsine(x,y)＝αx²arcsin(x)+αy²arcsin(y)

其中，f_arcsine(x,y)為相位調制函數，(x,y)為歸一化的相位掩膜板位置坐標，α為相位調制系數。

進一步的，所述相位調制系數與編碼成像系統的成像波段、系統參數和離焦優化范圍有關，通過將最小化費雪信息量作為目標優化函數，將無離焦系統MTF曲線積分面積作為約束條件的優化模型，進行調制系數優化。

一種波前編碼成像鏡頭，在成像鏡頭內部設置所述的反正弦型相位掩膜板。

進一步的，所述反正弦相位掩膜板集成在鏡頭孔徑光闌位置處。

一種基于反正弦型相位掩膜板的波前編碼成像系統，包括波前編碼成像鏡頭、面陣探測器、圖像處理器件和輸出顯示器件，所述波前編碼成像鏡頭采用所述的波前編碼成像鏡頭，目標經過波前編碼成像鏡頭，在面陣探測器上形成模糊的中間像，面陣探測器采集輸出的模糊圖像數字信號由圖像處理器進行放大、濾波和重構處理，形成清晰的數字圖像給輸出顯示器件輸出和結果顯示。

進一步的，所述面陣探測器位于波前編碼成像鏡頭的焦平面處。

進一步的，所述圖像處理器利用維納濾波算法進行濾波處理，濾波處理表達式為：