一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统技术方案

本发明专利技术属于光学技术领域，具体涉及一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统。该系统可根据实际需要在常规无掩膜成像与多种掩膜成像之间进行切换，除了实现灵活可控的景深拓展范围与复原图像品质之外，当应用于长波红外成像时还可以利用方向性滤波提升不同类型目标的识别能力。该系统包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、复合相位掩膜板、图像探测器以及图像处理单元；其特征在于：所述复合相位掩膜板由两个广义三次方型相位组件沿光轴传输方向叠加而成，并且两个广义三次方型相位组件通过各自独立的旋转来产生不同的相位调制强度。

A dynamic wavefront coding imaging system with adjustable phase mask

【技术实现步骤摘要】
一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统
本专利技术属于光学
，具体涉及一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统。
技术介绍
扩展光学系统的景深一直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。当前，波前编码成像系统多以静态方式应用，即相位掩膜板在设计定型之后就无法动态改变其物理形态，由此可能带来的问题如下所示：首先，无论待成像目标是否超出原始成像系统的景深范围，都必须通过复原滤波算法才能实现图像的清晰化。然而，图像复原过程中的噪声放大对复原图像质量的影响不可避免。因此，当目标所处位置尚未超出原始成像系统的景深范围时，所见即所得直接成像应该成为首选；而当目标所处位置大大超出原始成像系统的景深范围而导致其图像细节严重丢失时，编码成像加复原滤波就将发挥强大的景深拓展作用。因此，波前编码系统应该允许在常规无编码与编码成像之间进行切换。其次，相位掩膜板所引入的相位调制强弱会直接影响编码调制传递函数幅值的大小以及离焦稳定性。相位调制强度越强，那么编码传递函数的幅值越低，针对中间编码图像滤波复原时所引起的噪声放大就相应地增加，由此可能会带来复原滤波品质的降低；相反地，相位调制强度越弱，那么编码传递函数的幅值就越高，此时尽管景深拓展范围有所收缩，但是因噪声放大导致的图像复原品质下降可以得到抑制。因此，波前编码系统应该允许实现动态可调的等效相位调制强度。再次，从频率域的角度理解，相位掩膜板所起到的作用与光学滤波器类似，常规的编码成像系统对x方向与y方向的编码完全相同，而很多目标场景在x方向和y方向的特征存在显著差异，尤其是长波红外成像时尤为显著。因此，如果波前编码系统具备可控的方向性滤波能力，那么就有可能使长波红外编码成像系统在编码域实现不同类型目标的辨识。因此，更加先进的波前编码成像系统应该具备动态切换和符合应用需求的调节能力，从而根据实际需要切换相位掩膜形式，进而允许系统在常规无掩膜成像与编码成像以及非对称广义三次方掩膜(方向性滤波器)之间灵活切换。
技术实现思路
针对技术背景中存在的问题，本专利技术提出了一种可根据实际需要切换相位掩膜形式，从而允许系统在常规无掩膜成像、编码成像以及非对称广义三次方掩膜(方向性滤波器)之间灵活切换的相位掩膜可调波前编码成像系统。本专利技术的具体技术方案是：本专利技术提供的该相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、复合相位掩膜板、图像探测器以及图像处理单元；其改进之处是：复合相位掩膜板由两个广义三次方型相位组件沿着光轴传输方向叠加而成；两个广义三次方型相位组件均可绕光轴独立旋转且两个广义三次方型相位组件的旋转方向与旋转角度大小均可不同；二维相位掩膜函数的形式为：Q(x,y)＝f1(x,y)+f2(x,y)；其中，f1(x,y)＝α1(xcosθ1+ysinθ1)3+α1(ycosθ1-xsinθ1)3+β1(xcosθ1+ysinθ1)2(ycosθ1-xsinθ1)+β1(xcosθ1+ysinθ1)(ycosθ1-xsinθ1)2；f2(x,y)＝α2(xcosθ2+ysinθ2)3+α2(ycosθ2-xsinθ2)3+β2(xcosθ2+ysinθ2)2(ycosθ2-xsinθ2)+β2(xcosθ2+ysinθ2)(ycosθ2-xsinθ2)2；式中，α1、β1和α2、β2是控制两个广义三次方型相位组件相位分布函数的参数，θ1和θ2分别代表广义三次方型相位组件f1和广义三次方型相位组件f2各自产生的旋转角度，x，y为孔径平面归一化坐标；x、y的取值范围为[-1，1]，θ1和θ2的取值范围均为[0，360°]；在α1、β1和α2、β2选定的前提下，两个广义三次方型相位组件所产生的不同的旋转角度组合[θ1，θ2]将使相位掩膜函数Q呈现出常规无掩膜、经典广义三次方掩膜以及非对称广义三次方掩膜三种掩膜形式，从而实现常规无掩膜成像、经典广义三次方掩膜成像以及非对称广义三次方掩膜成像之间切换。进一步地，当系统处于上述常规无编码成像时，两个广义三次方型相位组件引入的相位掩膜相互抵消，此时相对旋转角度组合为以下四种：θ1＝0°或360°，θ2＝180°；θ1＝180°，θ2＝0°或360°；θ1＝90°，θ2＝270°；θ1＝270°，θ2＝90°。进一步地，当系统处于上述经典广义三次方编码成像时，其相位掩膜函数分为A1、A2、A3、A4四种形式：A1、2α(x3+y3)+2β(x2y+xy2)，此时对应的旋转角度组合分为四种：θ1＝0°，θ2＝360°；θ1＝360°，θ2＝0°；θ1＝0°，θ2＝0°；θ1＝360°，θ2＝360°；A2、-2α(x3+y3)-2β(x2y+xy2)，此时对应的旋转角度组合为θ1＝180°，θ2＝180°；A3、-2αx3+2αy3+2βx2y-2βxy2，此时对应的旋转角度组合为θ1＝90°，θ2＝90°；A4、2αx3-2αy3-2βx2y+2βxy2，此时对应的旋转角度组合为θ1＝270°，θ2＝270°。进一步地，当系统处于上述非对称广义三次方编码成像时，其相位掩膜函数分为B1、B2、B3、B4四种形式：B1、2αx3+2βxy2，此时对应的旋转角度组合分为两种：θ1＝0°或360°，θ2＝270°；θ1＝270°，θ2＝0°或360°；B2、-2αx3-2βxy2，此时对应的旋转角度组合分为两种：θ1＝180°，θ2＝270°；θ1＝270°，θ2＝180°；B3、2αy3+2βx2y，此时对应的旋转角度组合分为两种：θ1＝0°或360°，θ2＝90°；θ1＝90°，θ2＝0°或360°；B4、-2αy3-2βx2y，此时对应的旋转角度组合分为两种：θ1＝90°，θ2＝180°；θ1＝180°，θ2＝90°。进一步地，若两个广义三次方型相位组件均以0旋转角度位置作为起点，并以相同的角度和相同的方向同步旋转时，系统点扩散函数的尺度将出现近似周期性的变化，从而改变中间编码图像的模糊程度，进而对景深拓展范围及复原图像品质产生影响。进一步地，当系统处于非对称广义三次方编码成像时，所述复合相位掩膜板将成为方向性滤波器，尤其是应用于长波红外成像时，方向性滤波有利于在编码域就实现不同类型目标特征的辨识。进一步地，两个广义三次方型相位组件各自所产生的旋转角度通过电机驱动或采用差分器驱动的方式获得。本专利技术的优点在于：本专利技术解决了传统波前编码成像系统静态应用时适应性不强的问题，广义三次方型相位组件组合的引入，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、复合相位掩膜板、图像探测器以及图像处理单元；/n其特征在于：/n所述复合相位掩膜板由两个广义三次方型相位组件沿着光轴传输方向叠加而成；两个广义三次方型相位组件均可绕光轴独立旋转且两个广义三次方型相位组件的旋转方向与旋转角度大小均可以不同；/n复合相位掩膜板对应的二维相位掩膜函数的形式为：/nQ(x,y)＝f

【技术特征摘要】
1.一种相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，包括沿着光轴传输方向依次设置的成像镜头、复合相位掩膜板、图像探测器以及图像处理单元；
其特征在于：
所述复合相位掩膜板由两个广义三次方型相位组件沿着光轴传输方向叠加而成；两个广义三次方型相位组件均可绕光轴独立旋转且两个广义三次方型相位组件的旋转方向与旋转角度大小均可以不同；
复合相位掩膜板对应的二维相位掩膜函数的形式为：
Q(x,y)＝f1(x,y)+f2(x,y)；
其中，






式中，α1、β1和α2、β2是控制两个广义三次方型相位组件相位分布函数的参数，θ1和θ2分别代表广义三次方型相位组件f1和广义三次方型相位组件f2各自产生的旋转角度，x，y为孔径平面归一化坐标；x、y的取值范围为[-1，1]，θ1和θ2的取值范围均为[0，360°]；
在α1、β1和α2、β2选定的前提下，两个广义三次方型相位组件所产生的不同的旋转角度组合[θ1，θ2]将使相位掩膜函数Q呈现出常规无掩膜、经典广义三次方掩膜以及非对称广义三次方掩膜三种掩膜形式，从而在常规无掩膜成像、经典广义三次方掩膜成像以及非对称广义三次方掩膜成像之间切换。


2.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，其特征在于：当系统处于常规无编码成像时，两个广义三次方型相位组件引入的相位掩膜将相互抵消，此时相对旋转角度组合为四种，其分别是：
θ1＝0°或360°，θ2＝180°；
θ1＝180°，θ2＝0°或360°；
θ1＝90°，θ2＝270°；
θ1＝270°，θ2＝90°。


3.根据权利要求1所述的相位掩膜可调的动态波前编码成像系统，其特征在于：当系统处于经典广义三次方编码成像时，其相位掩膜函数分为A1、A2、A3、A4四种形式：
A1、2α(x3+y3)+2β(x2y+xy2)，此时对应的旋转角度组合分为四种：
θ1＝0°，θ2＝360°；
θ1＝360°，θ2＝0°；
θ1＝0°，θ2＝0°；
θ1＝360...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵惠，魏静萱，樊学武，夏晶晶，张凌，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61