基于二元纯相位光瞳模板的景深延拓方法研究

大景深光学成像系统能够获取物方更多的信息量，并且可以校正由安装误差、温度变化引起的像面离焦模糊,因此在工程实际中具有广泛的应用前景。本课题探讨了采用二元纯相位光瞳模板延拓光学成像系统景深的理论及实现方法，设计由"0、π "二元相位组成的光瞳模板放置在传统成像系统的光瞳平面，将成像系统的出射光场调制成某种特殊的分布，使系统的调制传递函数在要求的离焦深度范围内基本保持不变，且无零点，从而使系统的成像质量对物距变化不敏感, 消除由离焦产生的相位反转使系统通频带严重降低的影响。课题依据现代光学理论，采用全局搜索方法，有效获得了光瞳模板π相位突变位置，并结合运用二元光学元件的加工技术，研究了纯相位模板的制造手段和制作工艺，开发出具有高灵活性，不降低成像系统分辨率和光能利用率的纯相位光瞳模板，避免了复杂的非球面加工和检验问题。课题将为大景深光学成像系统的实现提供理论技术基础和一个可行的研究新思路。

在引入Hopkins离焦因素的前提下，推导了衍射受限光学系统的传递函数（OTF）与离焦量间的确定关系，分析了随着离焦量的增大，在通频带内会出现相位反转使系统的调制传递函数（MTF）曲线过零点，导致图像的高频细节被截止等问题。为此研究了利用“0、π”二元相位调制系统波前，提高成像系统截止频率使通频带内MTF无零点的具体实现方法。. 结合筒长无限显微成像系统，将点扩散函数计算按照归一化光瞳函数的孔径展开，利用粗搜索和精搜索相结合的全局优化算法，寻找最大截止频率相对应的最佳二元相位补偿参数，设计了大景深显微成像系统。. 利用Zemax软件中Diffraction Image Analysis功能对设计的系统进行了仿真，理论仿真结果表明，利用该方法能使显微成像系统的景深扩大5倍。. 在上述研究结果的基础上，建立了1：1投影光刻系统，制作了光瞳模板，并进行了检测，建立了大景深显微成像实验系统。实验结果表明，利用该光瞳模板具有一定的景深延拓功能，但与理论仿真结果有一定的差距。最后分析了光瞳模板的制造误差和实验系统的调试误差是造成这种差距的主要原因。