波前编码成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于光学领域，涉及一种波前编码成像系统，尤其涉及一种应用波前 编码技术的大焦深成像系统。
【背景技术】
[0002] 扩展光学系统的焦深一直都是学术界研宄的热点，从20世纪80年代中期开始， 虽然形形色色的方法被提出用于景深扩展，但是直到美国科罗拉多大学的Dowski博士和 Cathey教授于1995年提出波前编码的概念之后，景深延拓才有了真正意义上的突破。
[0003] 以一维光学系统为例，其离焦光学传递函数0TF可以通过广义光瞳函数的自相关 运算来获得，如下所示：
[0004]
[0005] 其中，u和x分别是归一化的空间频率与孔径平面横向坐标;W2(l是最大离焦波像 差系数；k是波数；而f?则代表相位板通用表达式。
[0006] 对于传统成像系统来说，上式中的f项不存在，因此可以轻松得到离焦0TF的具体 表达式为：
[0007]
[0008] 可以看到，当系统未引入相位板时，其0TF对离焦是非常敏感的，而且会在频率空 间周期性地出现零点，从而造成不可逆的信息损失。但是一旦将E. R. Dowski博士所发明的 三次方相位板（f(x) = ax3)引入到光学系统的入瞳面上之后，通过静态相位近似法就可 以得到一个完全不同的离焦0TF，如下：
[0009]
[0010] 显而易见，此时离焦0TF的模，即MTF与离焦波像差系数是无关的，也就是说三次 方相位板可以使系统MTF对离焦不敏感；虽然0TF的相位部分与离焦参量W2Q有关，但是只 要调制因子a增大，其对W2(l的依赖度就会显著降低。同时最为重要的是，在添加了相位掩 膜板之后，MTF在有效频率范围之内只是在幅度上有一定程度的下降，而不存在零点或近零 点，即系统出现离焦时，超出原始系统景深范围的信息并没有丢失，之后通过数字图像复原 算法就可以被有效地恢复。同时，由于相位板对系统的通光量和分辨率都不会造成影响，所 以波前编码是一种非常不同于缩小孔径法、中心遮拦法或切趾法的新型大景深成像方法。
[0011] 毫无疑问，相位掩膜板是实现系统光学传递函数0TF离焦不敏感的关键。然而，如 果没有复原滤波，就无法获得清晰的大焦深图像。传统的复原流程仅能获得与图像传感器 有效像素数目相对应的解码图像，此时像元的实际物理大小决定了以每毫米线对数表征的 系统空间分辨能力。如果要进一步提升系统的空间分辨力，选用像元更小的探测器是最直 接的方法。但是，图像传感器像元的物理大小受制造工艺以及应用条件等诸多因素的限制， 不可能无限地小下去。因此，在不改变传感器物理像元尺寸的前提下实现空间分辨率能力 的提升是超分辨率研宄领域的热点之一。 【实用新型内容】
[0012] 为了解决【背景技术】中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种在不改变图像 传感器硬件条件的前提下，不但能够实现超大焦深的清晰成像，而且可以获得对应于更小 物理像元尺寸探测器的超分辨率重构图像的波前编码成像系统。
[0013] 本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种波前编码成像系统，包括 波前编码成像镜头、1/3英寸图像探测器以及解码处理单元，所述波前编码成像镜头包括第 一镜片、相位掩膜板、第二镜片以及第三镜片；所述第一镜片、相位掩膜板、第二镜片、第三 镜片，1/3英寸图像探测器以及解码处理单元依次设置在同一光路上；其特殊之处在于：
[0014] 所述第一镜片的前表面的曲率半径是18. 91mm，第一镜片的前表面的X方向通光 半孔径以及Y方向通光半孔径均是6. 22_ ;所述第一镜片的后表面的曲率半径是234_，第 一镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5. 85_ ;所述第一镜片的 前表面与第一镜片的后表面之间的距离，即第一镜片的中心厚度是3. 0_ ;
[0015] 所述相位掩膜板的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是 4. 95mm;所述相位掩膜板的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是 4. 42mm ;所述第一镜片的后表面与相位掩膜板的前表面之间的距离，即第一镜片与相位掩 膜板之间的距离是3. 22mm ;所述相位掩膜板的前表面与相位掩膜板的后表面之间的距离， 即相位掩膜板的厚度是2. 0mm ;
[0016] 所述第二镜片的前表面的曲率半径是-34. 973mm，第二镜片的前表面的X方向 通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4. 43mm;所述第二镜片的后表面的曲率半径是 15. 776mm，第二镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5. 46mm;戶斤 述相位掩膜板的后表面与第二镜片的前表面之间的距离，即相位掩膜板与第二镜片之间的 距离是2. 0mm ;所述第二镜片的前表面与第二镜片的后表面之间的距离，即第二镜片的中 心厚度是3. 0mm ;
[0017] 所述第三镜片的前表面的曲率半径是33. 6240mm，第三镜片的前表面的X方 向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5. 57mm;所述第三镜片的后表面的曲率半径 是-26. 53mm，第三镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4. 24mm; 所述第二镜片的后表面与第三镜片的前表面之间的距离，即第二镜片与第三镜片之间的距 离是5. 17mm;所述第三镜片的前表面与第三镜片的后表面之间的距离，即第三镜片的中心 厚度是3. 0mm;
[0018] 所述第三镜片的后表面与1/3英寸图像探测器之间的距离是39. 3135mm。
[0019] 上述相位掩膜板的2D掩膜函数形式是：
[0020]
[0021] 其中：
[0022] a表征三次方形相位掩膜板的相位调制强度，所述a取值是0.0130mm;
[0023] x以及y均为归一化的孔径坐标，单位mm，所述x以及y取值范围均为[-4. 9513， 4. 9513]〇
[0024]上述波前编码成像镜头的焦距是50mm，相对孔径1 :4. 5,全视场角约是10°，工作 谱段 480um ~680um。
[0025] 本实用新型的优点是：
[0026] 本实用新型在深入研宄波前编码成像系统物理特性的基础上，提出了一种适合应 用于波前编码系统，在不改变探测器像元尺寸的前提下，不但可以实现超大焦深成像，而且 能够达到超分辨率成像的目的。图像放大是最简单的将低分辨率图像映射到高分辨率网格 的方法。传统的基于插值的图像放大并不能带来信息量的增加，而只是单纯地增加了像素 数目，如果处理不当，还会对细节的分辨带来不利的影响。基于本实用新型所提出的系统进 行超分辨处理是以波前编码成像机理为理论基础，不但能够增加图像的有效像素数目，而 且可以消除传统图像放大对局部细节，如边缘等特征的破坏，是对波前编码成像技术潜在 特性的深入挖掘。据此，本实用新型设计了搭载经典三次方形相位板的波前编码成像系统 用于试验验证。结果表明，这种基于波前编码机理的超分辨率处理方法在局部放大细节的 精确描述方面具有极大的优势。
【附图说明】
[0027] 图1是波前编码大焦深成像系统的原理示意图；
[0028] 图2a是波前编码大焦深成像系统对应于成像距离是5m时的光学传递函数示意 图；
[0029] 图2b是波前编码大焦深成像系统对应于成像距离是7m时的