论文部分内容阅读
自由曲面用于矫正像差,提高光学系统成像质量是光学设计领域一个重要的发展方向。波前编码技术-Wavefront coding(以下简称WFC)是较为独特的一种将自由曲面用于成像光路以提高成像质量的方法。其将光学与近代数字图像处理技术相结合,在光学系统焦深扩展方面有重要的技术突破。该技术创造性地将光学与近代数字图像处理技术相结合,通过在孔径光阑或者出瞳位置插入一块特殊的相位掩模板,在光瞳函数上附加一个特定的相位分布,使得在较大的焦深范围内,其光学传递函数(OTF)或者点扩散函数(PSF)不变或对物距变化不敏感,从而在探测器上形成差异极小的模糊的中间图像,再通过后续的数字滤波手段对中间图像进行解码,恢复成清晰的最终图像。WFC技术不仅在光学系统焦深扩展方面有重大的技术突破,而且能很好的控制离焦及离焦相关像差,同时也可以校正系统制造安装误差和温度变化引起的像面离焦。
本文在深入研究波前编码自由曲面设计方法的基础上,重点研究了三次面型自由曲面(即三次位相板)的实际应用问题,并在多种光学系统中成功应用自由曲面以增大光学系统焦深。由于该技术涉及光学及数字两个领域,因此本文还重点研究了应用中的信噪比问题。根据人眼信噪比模型,给出了适合本技术应用的频率信噪比模型。本文研究对于深入拓展波前编码技术的应用较有理论和实践意义。
主要工作如下:
1.完成了三次自由曲面在双高斯照相物镜中的应用设计。在传统系统光阑位置加入三次位相板,经优化后,即可在焦平面附近得到满意的光斑分布。扩展焦深范围在5倍左右;创新性地在红外折反系统中加入三次位相板,解决系统温度离焦问题。模拟结果表明,在常规使用环境-40°~+60°下,三次自由曲面较好解决了红外系统温度离焦问题,在两个极限温度下,系统MTF的一致性达到95%;将三次位相板用于由三块反射镜组成的离轴三镜消像散系统(TMA系统)中,所设计的TMA系统地面分辨率达到了米级,覆盖宽度为几十公里,解决以往主动调焦机构可靠性差的问题。减小了系统尺寸,使相机结构紧凑,利于实现轻量化。
2.研究了三次自由曲面加工公差对系统成像结果的影响。采用的自由曲面元件属于无光焦度元件,因此除了面形不规则以及偏心外,其它各项公差对系统MTF的影响都非常小。
3.借鉴人眼可分辨信噪比的概念,提出了一种用于分析波前编码系统性能的信噪比模型,该模型具有直观性。仿真分析结果表明,该信噪比完全能够真实反映系统性能。并可以作为设计过程中较为有力的评价参数。
4.设计、搭建WTC实验系统。保持景深位置不变,像面进行离焦,拍摄不同离焦位置照片,图像复原结果表明该系统最终可扩展焦深40倍。