圆形光瞳大景深光学系统的理论研究及其优化设计实现

Wavefront coding is a hybrid optical-digital technology, consisting of optical encoding and digital decoding. Digital decoding, which makes up for the deficiencies introduced by optical design, leads to the increase of the degrees of freedom in optical design. Thereby, the depth of field is deeply extended without sacrificing imaging quality and illumination. Previous researches have focused on the wavefront coding systems with a rectangular pupil because of the simplicity in analysis. However, most of pupils in optical systems are circular instead of rectangular and previous research results are not approciate for practical circular pupil systems. Therefore, we will focus on the wavefront coding systems with a circular pupil which is significant to practical systems. Firstly, we will deduce the expressions of the system's optical properties, such as optical transfer function. Meanwhile, we will compare and find relationships of two systems with a circular pupil and a rectangular pupil. Secondly, with a special elvaluated function defined, an optimum design model for practical wavefront coding systems with a circular pupil will be founded in commercial optical design softwares such as Code V, Zemax. In this way, the phase mask and other optical elements are treated as a whole in the software. Finally, sharp images will be obtained with digital decoding. A practical wavefront coding system with a circular pupil will be designed, produced and analyzed.

波前编码技术利用后期数字图像处理手段弥补光学设计的不足，在不影响成像质量和光通量的前提下，实现大景深成像。因为矩形光瞳光学系统分析方法简单，所以目前国内外关于波前编码系统的研究基本集中于矩形光瞳系统，很少涉及到代表了绝大部分实际系统的圆形光瞳波前编码系统，更没有针对圆形光瞳系统的设计及实现。本项目将研究重点放在圆形光瞳系统上。首先，得到圆形光瞳系统的光学特性表达形式，并与矩形光瞳系统进行全面比较，寻求从矩形光瞳系统直接得到圆形光瞳系统的光学特性的途径。在此基础上，设计针对圆形光瞳波前编码系统的评价函数，以主流光学软件的优化平台为基础，建立实际圆形光瞳波前编码系统的优化设计模型，对相位掩膜和光学系统进行整体优化，最后完成数字解码，从而实现景深延拓。最终将此技术应用到具体的成像系统，设计并试制一套圆形光瞳超大景深的光学系统。

本项目将大景深光学系统的研究从矩形光瞳拓展到圆形光瞳。目前绝大部分的光学系统采用圆形光瞳，而之前的基于波前编码大景深的研究却集中于矩形光瞳光学系统。矩形光瞳的假设使得频域和空间域的光学性能分析变得简单。这项研究不仅分析了适用于绝大部分光学系统的圆形光瞳大景深技术，而且建立了圆形光瞳系统和矩形光瞳系统之间的联系。这使得前期基于矩形光瞳大景深光学系统的特性分析，在稍经改动之后，可直接用于圆形光瞳大景深系统。这种分析符适用于实际的圆形光瞳光学系统，为将传统光学系统改制成大景深系统提供了理论支撑。. 改进了一种低频二元相位掩模来进行景深延拓。从理论上对带有二元相位掩模的光学成像系统的轴上光强分布进行了分析，得到了调制深度为Π的一阶二元相位掩模为景深拓展的最佳方案。因为改进后的掩模具有旋转对称型，所以相对其他自由曲面型的相位掩模而言，这种结构的制造、安装和检测更简单、成本更低廉。另外，不同于非旋转对称型的相位掩模，它无需数字解码，因此特别适用于诸如视力矫正等无法进行图像解码的实时光学系统。. 提出了针对实际光学系统的大景深光学系统设计优化方法。虽然前期研究大部分是基于理想光学系统，即忽略除离焦外的一切像差。而实际的光学系统是存在各种像差，直接用基于理想光学系统的优化算法设计得到的光学系统可能会和实际加工生产所得的相去甚远。本项目采用的是基于光学软件平台Zemax的优化算法，Zemax已经非常成熟，被广泛的应用于民用及军用光学系统设计上，可靠性能到了多年的验证。因此，基于Zemax的大景深光学系统优化设计算法使得设计结果更真实可靠。. 本项目为基于波前编码的大景深技术应用于传统光学系统扫清了障碍，并在显微系统上得到了验证。除此之外，这项技术可应用于监控镜头、望远镜、相机等传统的光学系统上，能在不影响分辨率的情况下获得更大的景深。特别要指出的是，这项技术还可用于红外光学系统上，由于此类系统对温度敏感，通常需要采用特制的温控设施来保证成像质量，往往系统笨重且造价高昂。采用基于波前编码的大景深技术后，将抑制由温度引起的离焦量，保证成像质量，且无需采用温控设施。