[实用新型]基于波前编码超大景深成像系统

说明书

本实用新型属于光学领域，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。本实用新型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

本实用新型属于光学领域，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博士所实用新型的三次方相位板(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。

由于光学系统的景深与相对孔径的平方成反比——相对孔径越大则景深越浅，而波前编码技术具有大幅拓展景深的能力，所以非常适合应用于大相对孔径系统，此时对于与孔径相关的像差如球差和色差等也可以同步得到抑制。与此同时，景深的大幅拓展也使波前编码成像技术能够对与离焦有关的像差比如慧差、像散、场曲等起到抑制效果。由于这些像差与视场大小密切相关，所以对其进行抑制也就意味着允许光学系统具有更大的视场。因此，波前编码成像技术非常利于实现大相对孔径和大视场设计。

相对孔径和视场的增大会大幅增加光学系统的设计和优化难度，传统设计手段不得不使用更多的镜片或采用非球面镜片技术来实现大视场光学系统轴外像差的良好校正。然而，对于波前编码成像技术来说，就允许其在不过度增加元件数目并且全部使用球面镜片的条件下实现视场和相对孔径的扩展，从而能够以较低的设计和研制成本兼顾大视场、大相对孔径和大景深。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型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。