[发明专利]正弦型相位板及基于该相位板的景深拓展成像系统

说明书

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种相位板及基于该相位板的成像系统，尤其涉及一种用于拓展光学成像系统景深的正弦型相位板以及应用该相位板的景深拓展成像系统。

背景技术

扩展光学成像系统的景深一直都是学术界研究的热点。缩小系统的相对孔径可以起到景深延拓的效果，但会严重损失光通量和分辨率，因此实用性不强。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扩展成像系统景深，但是直到美国科罗拉多大学的E.R.Dowski博士于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。

通过在成像系统的孔径平面、入瞳平面或者出瞳平面上添加一块三次方型的相位板，系统的调制传递函数MTF就能够变得对离焦以及引起离焦的因素不敏感，从而达到扩展景深的目的，而且最重要的是，在添加了相位板之后，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。这就表明，当系统存在离焦时，超出原始系统景深范围的信息并没有丢失，只是以一种已知的方式被进行了编码，之后通过相应的数字图像复原算法就可以被有效地恢复。同时，由于相位板只是对孔径平面内的成像光线相位进行了编码，对系统的通光量和分辨率从理论上来讲都不会造成影响，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景深拓展成像技术。

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

H(u,W20)=12·∫-(1-|u|/2)1-|u|/2exp(j·(2kW20ux+fx(x+u/2)-f(x-u/2)))dx]]>

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：