專利名稱：一種復(fù)合相位掩模板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相位掩才莫板，尤其涉及一種指^t型和一次方型兩種函 數(shù)復(fù)合的復(fù)合相位掩模板。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)中，縮小相對孔徑是擴(kuò)展景深的有效方法，但這會 導(dǎo)致系統(tǒng)分辨率降低，與高質(zhì)量成像的目的相背。而利用波前編碼技術(shù)制 作的非球面掩模板，可使物體目標(biāo)經(jīng)過加了掩才莫板的光學(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(jìn)行數(shù)字圖像處理后得到聚 焦清晰的圖像，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展景深的目的。
非球面掩4莫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)。1995年，美國科羅拉多大學(xué)的E.R.Dowski等人將雷達(dá)領(lǐng)域里使用的 模糊度函數(shù)和離焦光學(xué)傳遞函數(shù)結(jié)合起來提出了波前編碼成像技術(shù)，并推 導(dǎo)出了經(jīng)典的三次方相位分布函數(shù)掩模板，2001年，該小組通過將靜態(tài)相 位法應(yīng)用于推導(dǎo)離焦不變點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的過程中，從而又得到了另外一種可 以用于景深延拓的對數(shù)相位分布函凄t相位板；2004年，Ojeda-Castaneda Jorge研究小組提出了用于擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)景深的高次方相位分布函數(shù)掩模 板；同年，S.Prasad等人提出了光瞳相位工程PPE( Pupil Phase Engineering) 的概念，獲得了改進(jìn)的三次方分布的相位分布函數(shù)掩模板，并且也研究了 多種相位掩模板的優(yōu)化方法；2007年，中科院上海光機(jī)所的陽國慶等人使 用維納函數(shù)在頻域?qū)Σㄇ熬幋a系統(tǒng)的特性進(jìn)行了相關(guān)研究，同時提出了指 數(shù)型相位分布函數(shù)掩一莫板。
根據(jù)相位分布函數(shù)可以確定掩模板的物理結(jié)構(gòu)，如美國羅切斯特光學(xué) 中心的Wanli Chi的博士論文"Computational Imaging System for Extended D印200410018159.2中公開了一種離散連續(xù)混合相位型相位板及其實(shí)現(xiàn)超分 辨的方法，該相位纟反的相位函數(shù)包含兩個部分 一部分為連續(xù)分布相位氺反， 另 一部分為臺階型相位板。將相位分布函數(shù)中的連續(xù)變化部分用連續(xù)變化 的波面進(jìn)行等效替代，而相位分布函數(shù)中按分區(qū)變化的部分用臺階型相位 板替代，以實(shí)現(xiàn)較優(yōu)越的超分辨性能。
采用相位掩膜板后，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 零點(diǎn)或近零點(diǎn)。這意味著，當(dāng)系統(tǒng)存在離焦時，超出原始系統(tǒng)景深范圍的 信息并沒有丟失，只是以一種已知的方式被編碼而已，之后通過一定的數(shù) 字圖像復(fù)原算法就可以被有效地恢復(fù)。同時，由于相位掩模板只是對孔徑 平面內(nèi)的成像光線的相位進(jìn)行編碼，對系統(tǒng)的通光量和分辨率從理論上來 講都不會造成影響。
波前編碼成像技術(shù)通過將圖像復(fù)原與光學(xué)設(shè)計(jì)相結(jié)合，在不過度犧牲 光學(xué)系統(tǒng)分辨率和通光量的前提下可以有效地擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)的景深?？蒲?工作者做了大量的理論分析以及實(shí)驗(yàn)研究，肯定了波前編碼成像技術(shù)所具 有的強(qiáng)大威力，證明并且驗(yàn)證了景深提高IO倍的效果。這種光/數(shù)混合成 像技術(shù)打破了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在擴(kuò)展景深時的固有的限制，是一種非常有實(shí) 用化前景的成傳4支術(shù)，受到廣泛的關(guān)注。
本發(fā)明提供了一種能補(bǔ)償相位傳遞函數(shù)偏移效應(yīng)的復(fù)合相位掩模板。 一種復(fù)合相位掩模板，所述的復(fù)合相位掩模板的相位分布函數(shù)包含指 數(shù)型和一次方型兩種函數(shù)，相位分布函數(shù)e(x,力的函數(shù)式如下 0(x,少)=a jc exp (". x2) + or. >> exp. _y2) + k . (x + _y)
式中，or.x.exp(/ .Jc2) + or.,exp(/5./)為指數(shù)型函數(shù)，K.(x +力為一次方
型函數(shù)；其中，"、^為指數(shù)函數(shù)調(diào)制因子，K為相位調(diào)制因子，JC， y為孔 徑平面歸一化的空間坐標(biāo)。
其中，作為優(yōu)選，指數(shù)函數(shù)調(diào)制因子"取值大于30， ；9取值在1和3 之間。AT為相位調(diào)制因子，為負(fù)值時使系統(tǒng)相位傳遞函數(shù)向左偏移，為正 值時使系統(tǒng)相位傳遞函數(shù)向右偏移，K值的大小可以根據(jù)需要設(shè)定
發(fā)明內(nèi)容
在各種形式相位分布函數(shù)的相位掩模板中，指數(shù)型相位掩模板對于球 差、慧差、像散等像差均有較好的抑制效果，但存在著相位傳遞函數(shù)偏移 效應(yīng)較大的缺點(diǎn)。而對于本發(fā)明的復(fù)合相位掩模板，在其相位分布函數(shù)中 添加一次方型函數(shù)后，隨著調(diào)制因子強(qiáng)度的改變，相位傳遞函數(shù)將發(fā)生可 控的偏移，從而實(shí)現(xiàn)相位傳遞函數(shù)偏移的補(bǔ)償。
一種成像系統(tǒng)，由成像鏡頭、復(fù)合相位掩模板、圖像l果測器、圖像處 理單元組成。
所述的復(fù)合相位掩模板的相位分布函數(shù)包含指數(shù)型和一次方型兩種
函凄史，函數(shù)式々口下
P(X少)=on exp (yff-x2) + a." exp (yff.y) + A:'(;t +少)
式中，a、 ^為指數(shù)函數(shù)調(diào)制因子，K為相位調(diào)制因子，x， ^為孔徑平 面歸一化的空間坐標(biāo)。
在成像系統(tǒng)中，成像目標(biāo)通過成像鏡頭和相位掩模板后，在圖像探測 器上形成模糊的中間^象，然后圖像處理單元對中間像進(jìn)行去巻積處理，最 終得到聚焦清晰的圖像。
成像鏡頭可以采用現(xiàn)有的各種成像鏡頭。圖傳4罙測器可以采用CCD等。
本發(fā)明 一種成像系統(tǒng)在傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)中增加了 一塊相位掩模 板，放置在光瞳上。當(dāng)光路通過此相位掩模板后，光信息被編碼，即光學(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)沒有零點(diǎn)或近零點(diǎn)。這意味著，當(dāng)系統(tǒng)存 在離焦時，超出原始系統(tǒng)景深范圍的信息并沒有丟失，只是以一種已知的 方式被編碼。成像在CCD上的是一幅模糊圖像，用數(shù)字信號處理系統(tǒng)對它
進(jìn)行去巻積解碼，從而恢復(fù)出銳利清晰的圖像。
各種相位板或多或少都存在著相位傳遞函數(shù)的偏移效應(yīng)，即系統(tǒng)相位
傳遞函數(shù)在像面上與理想中心位置有一定的偏差。這種偏移效應(yīng)的存在使
得即便是成像光線在正入射的條件下，實(shí)際成像視場與擬成像視場之間也
會有所不同。研究表明，當(dāng)不同準(zhǔn)則下的相位板面型設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)時，采
用指數(shù)型相位板成像系統(tǒng)的相位傳遞函數(shù)偏移效應(yīng)是較大的。本發(fā)明一種
復(fù)合相位掩模板對指數(shù)型相位板進(jìn)行了有限的改進(jìn)，隨著相位調(diào)制因子強(qiáng)度的改變，系統(tǒng)相位傳遞函數(shù)發(fā)生可控的變化，實(shí)現(xiàn)偏移效應(yīng)的補(bǔ)償。


圖l是本發(fā)明一種成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明復(fù)合相位掩模板的面形與指數(shù)型相位板的面形比較示意
圖3是采用本發(fā)明的復(fù)合相位掩模板的成像系統(tǒng)和采用指數(shù)型相位掩 模板的成像系統(tǒng)的相位傳遞函數(shù)曲線比較示意圖。
具體實(shí)施例方式
一種復(fù)合相位掩模板，復(fù)合相位掩模板的相位分布函數(shù)包含指數(shù)型和
一次方型兩種函數(shù)，相位分布函數(shù)0(:c，力的函數(shù)式如下
e(x， ;y) = a' x. exp(/ . ) + a _y. exp(;5' y2) + k . (;c + _y)
式中，a.x.exp(/ .;c2) + a.,exp(/ ./)為指數(shù)型函數(shù)，s:.(x +力為一次方
型函數(shù)；其中，a、 -為指數(shù)函數(shù)調(diào)制因子，K為相位調(diào)制因子，取值分別 為"=30, 〃 = 1.7， k=-135; jc， 為孔徑平面歸一化的空間坐標(biāo)。
本發(fā)明的 一種復(fù)合相位掩模板的面形和指數(shù)型相位掩模板的面形比 較參見附圖2，本發(fā)明的一種復(fù)合相位掩模板的面形在附圖2中用虛線表 示，指數(shù)型相位掩模板的面形在附圖2中用實(shí)線表示。
參見圖l,本發(fā)明一種成像系統(tǒng)，由成像鏡頭2、復(fù)合相位掩模板3、 圖像探測器4、圖像處理單元組成5。
成像目標(biāo)1通過成像鏡頭2和復(fù)合相位掩模板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(jìn)行去巻積處理，最終得到聚 焦清晰的圖像6。
復(fù)合相位掩模板的相位分布函數(shù)包含指數(shù)型和一次方型兩種函數(shù)，可 描述為
P(x,力=a jc . exp (". x2) + a y exp (y9. y2) + k: . + >>)
式中，，a'x'exp(p. ) + a.:v.exp(/ ./)為指數(shù)型函凄t, K.(x +力為一次
方型函數(shù)；其中，a、 / 為指^:函數(shù)調(diào)制因子，取值為"=30， ^ = 1; ;r為 相位調(diào)制因子，取值為《:=-135; 少為孔徑平面歸一化的空間坐標(biāo)。本發(fā)明釆用復(fù)合相位掩模板的成像系統(tǒng)和采用指數(shù)型相位掩模板的
成像系統(tǒng)的相位傳遞函數(shù)曲線比較參見附圖3。
當(dāng)/f等于零時，相位掩模板的相位分布函數(shù)就是指數(shù)型，即為指數(shù)型 相位掩模板，其成像系統(tǒng)的相位傳遞函數(shù)曲線如附圖3中的實(shí)線所示，可 以很明顯地看到系統(tǒng)相位傳遞函數(shù)在像面上的位置發(fā)生了重大的改變，即 嚴(yán)重地偏離理想像面中心。而對K進(jìn)行優(yōu)化選擇后，取/c;135，相位掩模 板的相位分布函數(shù)就是指數(shù)型和一次方型兩種函數(shù)，即為本發(fā)明復(fù)合型相 位掩模板，其成像系統(tǒng)的相位傳遞函數(shù)曲線如附圖3中的虛線所示，系統(tǒng) 的相位傳遞函數(shù)重新移動到了基本與理想像面中心重合。
由于一次方項(xiàng)不會對相位掩模系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)產(chǎn)生影響，所以針 對其它類型的相位掩沖莫板，也可用疊加一次方型分布函^:的方法消除相位 傳遞函數(shù)的偏移效應(yīng)。
權(quán)利要求
1、一種復(fù)合相位掩模板，其特征在于所述的復(fù)合相位掩模板的相位分布函數(shù)包含指數(shù)型和一次方型兩種函數(shù)，相位分布函數(shù)θ(x，y)的函數(shù)式如下θ(x，y)＝α·x·exp(β·x2)+α·y·exp(β·y2)+κ·(x+y)式中，α·x·exp(β·x2)+α·y·exp(β·y2)為指數(shù)型函數(shù)，κ·(x+y)為一次方型函數(shù)；其中，α、β為指數(shù)函數(shù)調(diào)制因子，κ為相位調(diào)制因子，x，y為孔徑平面歸一化的空間坐標(biāo)。
2、 一種成像系統(tǒng)，由成像鏡頭、復(fù)合相位掩模板、圖像探測器、圖 像處理單元組成，其特征在于所述的復(fù)合相位掩模板的相位分布函數(shù)包 含指數(shù)型和一次方型兩種函數(shù)，函數(shù)式如下P(jc, >>) = ". x. exp (/jc2) + or. _y. exp (〃 _y2) + y . (x +式中，"、"為指數(shù)函數(shù)調(diào)制因子，k為相位調(diào)制因子，x，少為孔徑平 面歸一化的空間坐標(biāo)；在成像系統(tǒng)中，成像目標(biāo)通過成像鏡頭和相位掩模板后，在圖像探測 器上形成模糊的中間像，然后圖像處理單元對中間像進(jìn)行去巻積處理，最 終得到聚焦清晰的圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合相位掩模板，其特征在于所述的復(fù)合相位掩模板的相位分布函數(shù)包含指數(shù)型和一次方型兩種函數(shù)，相位分布函數(shù)θ(x，y)的函數(shù)式如下θ(x，y)＝α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)+κ·(x+y)，式中，α·x·exp(β·x²)+α·y·exp(β·y²)為指數(shù)型函數(shù)，κ·(x+y)為一次方型函數(shù)；其中，α、β為指數(shù)函數(shù)調(diào)制因子，κ為相位調(diào)制因子，x，y為孔徑平面歸一化的空間坐標(biāo)。本發(fā)明還公開了一種采用指數(shù)型和一次方型兩種函數(shù)復(fù)合的復(fù)合相位掩模板的成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)可以明顯地改善采用指數(shù)型相位分布函數(shù)掩模板成像系統(tǒng)所固有的相位傳遞函數(shù)偏移現(xiàn)象。
文檔編號G02B27/46GK101510011SQ200910097178
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者馮華君, 徐之海, 奇 李, 惠 趙 申請人:浙江大學(xué)