專利名稱：一種相位掩膜板及其應(yīng)用這種相位掩膜板的成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相位掩膜板及其使用這種相位掩膜板的成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
擴展光學(xué)系統(tǒng)景深的工作，由于其深遠的應(yīng)用意義長期以來備受關(guān) 注。在傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)中，景深和分辨率是互相制約的。為了增加系統(tǒng)的 景深，通常可以采用縮小系統(tǒng)相對孔徑的方法，但這一做法有其不可避免 的缺點減少光學(xué)系統(tǒng)的通光量，并降低系統(tǒng)的分辨率。
利用波前編碼技術(shù)擴展景深是一種行之有效的方法，其思路是在傳統(tǒng) 的光學(xué)系統(tǒng)中增加一個非球面掩膜板。
非球面掩膜板的目的是對波面相位加以改變，其核心是相位分布函 數(shù)。根據(jù)相位分布函數(shù)可以確定掩膜板的物理結(jié)構(gòu)，如美國Rochester光 學(xué)中心的 Wanli Chi的博士論文"Computational Imaging System for Extended Depth of Field"第四章"Lens Design and Fabrication"即全面介 紹了根據(jù)相位分布函數(shù)確定掩膜板面形的方法。又例如在中國發(fā)明專利 200410018159.2中公開了一種離散連續(xù)混合相位型位相板及其實現(xiàn)超分 辨的方法，該位相板的位相函數(shù)包含兩個部分cp(p)-e(p)+ei式中 一部 分為連續(xù)分布位相板，即e(p) = asin(2兀bp)， p為位相板圓孔的徑向坐標(biāo)； 另一部分為臺階型位相板，在不同區(qū)域中為常量位相。將所述的離散連續(xù) 混合相位型位相板的相位連續(xù)變化的部分用連續(xù)變化的波面進行等效替 代，而相位中按分區(qū)變化的部分用臺階型位相板替代，可以實現(xiàn)較優(yōu)越超 分辨性能。
物體目標(biāo)經(jīng)過加了掩膜板的光學(xué)系統(tǒng)后形成一個對離焦不敏感的模 糊的中間像，然后對中間像進行數(shù)字圖像處理后得到聚焦清晰的圖像，采 用這種方法可使光學(xué)系統(tǒng)在較大的離焦范圍內(nèi)其調(diào)制傳遞函數(shù)值變化很 小(即對離焦不敏感)，同時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在通頻帶內(nèi)沒有奇異點，這
對圖像恢復(fù)非常有利。
以一維光學(xué)系統(tǒng)為例，假設(shè)相位掩膜板的歸一化表達式為
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中e(;c)是相位分布函數(shù)，為一個未知的非線性表達式，1/V5為歸一 化系數(shù)。根據(jù)光瞳函數(shù)和光學(xué)傳遞函數(shù)的關(guān)系，可以推導(dǎo)出一維的光學(xué)傳 遞函數(shù)為
<formula>formula see original document page 4</formula>式中w為空間頻率，^為離焦量，它和最大波像差的關(guān)系為
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中z為一維坐標(biāo)下透鏡孔徑的長度，入為光波長，/為透鏡的焦距， 4為物距，d為像距，A:為波數(shù)，PT2。為最大波像差。
對未加相位掩膜板的光學(xué)系統(tǒng)進行分析，將^(jc)-0代入//("〃)的表
達式式，取模得到調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)關(guān)于"和P的函數(shù)圖。在傳統(tǒng)的 光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)的離焦量增大時，MTF將會變小，而且會出現(xiàn)多個 零值，這使得系統(tǒng)無法傳遞該頻率下的光學(xué)信息。
在波前編碼系統(tǒng)中，加入一個相位掩膜板后，使得新系統(tǒng)的MTF隨 離焦量^的變化^艮小，即達到
利用模糊函數(shù)和穩(wěn)相法求得此方程的解為
上式用三次函數(shù)型的相位分布函數(shù)是比較流行的相位掩膜板表達式， 但并不是唯一的表達式，對數(shù)函數(shù)型函數(shù)、多項式函數(shù)、高次方函數(shù)形式 的相位掩膜板同樣具有MTF對離焦量不敏感的性質(zhì)，從而達到擴大景深 的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出 一種可擴大景深的相位掩膜板及其使用這種相位掩膜板 的成像系統(tǒng)。 一種相位掩膜板，其相位分布函數(shù)包含對數(shù)型和高次方型兩種函數(shù)，
函數(shù)式如下
式中，M、 〃為對數(shù)型函數(shù)和高次方型函數(shù)的放大率；《,、 A為對數(shù) 型函數(shù)的參數(shù)；a2、 A為高次方型函數(shù)的參數(shù)；x為歸一化的徑向坐標(biāo)。
一種成像系統(tǒng)，由成像鏡頭、相位掩膜板、圖像探測器、圖像處理單 元構(gòu)成；其中相位掩膜板的相位分布函數(shù)包含對數(shù)型和高次方型兩種函 數(shù)，函數(shù)式如下
= W"^卩og(1 x I + A)]} + A^21 x |A 式中，M、 W為對數(shù)型函數(shù)和高次方型函數(shù)的放大率，cr,、 A為對數(shù)
型函數(shù)的參數(shù)；"2、 A為高次方型函數(shù)的參數(shù)；x為歸一化的徑向坐標(biāo)； 成像目標(biāo)通過常規(guī)成像鏡頭和相位掩膜板后，在圖像探測器上形成模
糊的中間像，然后圖像處理單元進行去巻積處理，最終得到聚焦清晰的圖像。
采用本發(fā)明相位掩膜板的成像系統(tǒng)，其調(diào)制傳遞函數(shù)MTF對離焦量 非常不敏感(即MTF隨離焦量的變化很小)，MTF的方差較對數(shù)型掩膜 板和高次方型掩膜板更小，從而對圖像處理單元的去巻積工作更為有利。
附困說明
圖l是本發(fā)明成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2為在0.5倍奈套斯特頻率下，使用本發(fā)明相位掩膜板的成像系統(tǒng) 的MTF方差與使用對數(shù)型相位掩膜板、高次方型相位掩膜板成像系統(tǒng) MTF方差的對比；
圖3為在l.O倍奈查斯特頻率下，使用本發(fā)明相位掩膜板的成像系統(tǒng) 的MTF方差與使用對數(shù)型相位掩膜板、高次方型相位掩膜板成像系統(tǒng) MTF方差的對比；
圖4為在1.5倍奈奎斯特頻率下，使用本發(fā)明相位掩膜板的成像系統(tǒng) 的MTF方差與使用對數(shù)型相位掩膜板、高次方型相位掩膜板成像系統(tǒng) MTF方差的對比。
具體實施例方式
參照

圖1，本發(fā)明成像系統(tǒng)中，成像目標(biāo)1通過常規(guī)成像鏡頭2和相 位掩膜板3后，在圖像探測器4上形成模糊的中間像，然后圖像處理單元 5進行去巻積處理，最終得到聚焦清晰的圖像6。
本發(fā)明成像系統(tǒng)可以看作在傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)中增加了一塊相位 掩膜板(放置在光瞳上)，當(dāng)光路通過此相位掩膜板后，光信息被編碼， 即整個光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)會發(fā)生改變，雖然編碼后的MTF
值要小于編碼前的值，但是在有離焦量的情況下它不會出現(xiàn)零值，所以不 會造成圖像細節(jié)信息的丟失。成像在圖像探測器(如CCD)上的是一幅模 糊圖像，用數(shù)字信號處理系統(tǒng)對它進行解碼，此時系統(tǒng)的MTF值也會相應(yīng)
提高，從而恢復(fù)出銳利清晰的圖像。
放置在光瞳上的相位掩膜板的相位分布函數(shù)包含對數(shù)型和高次方型
兩種函數(shù)，可描述為
鵬=M("/卩og(1 xI +^)〗} + iV"21 x|A 式中，M、 iV為對數(shù)型函數(shù)和高次方型函數(shù)的放大率，《,、 A為對數(shù) 型函數(shù)的參數(shù)；《2、 A為高次方型函數(shù)的參數(shù)；c為歸一化的徑向坐標(biāo)。 在本發(fā)明的實施例中，M=l, 7V=1， a, =50， A=l, "2=20, >92=5。
使用本發(fā)明相位掩膜板后，成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF對離焦量 的不敏感性更好，從而對圖像處理單元的去巻積工作更為有利。圖2為在 0.5倍奈奎斯特頻率下，使用本發(fā)明提出相位掩膜板的成像系統(tǒng)的MTF方 差(曲線1)與使用對數(shù)型相位掩膜板、高次方型相位掩膜板成像系統(tǒng) MTF方差(曲線2、曲線3)的對比；圖3為在1.0倍奈套斯特頻率下， 使用本發(fā)明提出相位掩膜板的成像系統(tǒng)的MTF方差(曲線1)與使用對 數(shù)型相位掩膜板、高次方型相位掩膜板成像系統(tǒng)MTF方差(曲線2、曲 線3 )的對比；圖4為在1.5倍奈奎斯特頻率下，使用本發(fā)明提出相位掩 膜板的成像系統(tǒng)的MTF方差(曲線1)與使用對數(shù)型相位掩膜板、高次 方型相位掩膜板成像系統(tǒng)MTF方差(曲線2、曲線3)的對比?？梢?，本 發(fā)明提出的相位掩膜板具有很好的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1、一種相位掩膜板，其特征在于所述的相位掩膜板的相位分布函數(shù)包含對數(shù)型和高次方型兩種函數(shù)，函數(shù)式如下
2、 一種成像系統(tǒng)，其特征在于由成像鏡頭、相位掩膜板、圖像探 測器、圖像處理單元構(gòu)成；所述的相位掩膜板的相位分布函數(shù)包含對數(shù)型 和高次方型兩種函數(shù)，函數(shù)式如下<formula>see original document page 2</formula> 式中，M、 AT為對數(shù)型函數(shù)和高次方型函數(shù)的放大率；α1、β1為對數(shù)型函數(shù)的參數(shù)；α2、 β2為高次方型函數(shù)的參數(shù)；x為歸一化的徑向坐標(biāo)；成像目標(biāo)通過常規(guī)成像鏡頭和相位掩膜板后，在圖像探測器上形成模 糊的中間像，然后圖像處理單元進行去巻積處理，最終得到聚焦清晰的圖 像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相位掩膜板，其相位分布函數(shù)包含對數(shù)型和高次方型兩種函數(shù)，函數(shù)式如下θ_phase=M{α₁x²[log(|x|+β₁)]}+Nα₂|x|^β#+[2]，式中，M、N為對數(shù)型函數(shù)和高次方型函數(shù)的放大率；α₁、β₁為對數(shù)型函數(shù)的參數(shù)；α₂、β₂為高次方型函數(shù)的參數(shù)；x為歸一化的徑向坐標(biāo)。采用本發(fā)明相位掩膜板的成像系統(tǒng)，其調(diào)制傳遞函數(shù)MTF對離焦量非常不敏感(即MTF隨離焦量的變化很小)，MTF的方差較對數(shù)型掩膜板和高次方型掩膜板更小，從而對圖像處理單元的去卷積工作更為有利。
文檔編號G02B27/00GK101201455SQ20071016455
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者馮華君, 徐之海, 奇 李, 惠 趙 申請人:浙江大學(xué)