一种复合型相位掩模板.pdf

本发明公开了一种复合型相位掩模板，复合型相位掩模板的相位分布函数包含正弦型和三次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)的函数式如下：θ(x，y)＝α·(x3+y3)+β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))，式中，β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))为正弦型函数，α·(x3+y3)为三次方型函数；其中，α为三次方型函数的幅值，β为正弦型函数的幅值，ω表示正弦型函数的角频率，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。本发明还公开了一种采用正弦型和三次方型两种函数复合的复合型相位掩模板的成像系统，该成像系统的Fisher信息的数值较小，相位掩模板对离焦不敏感，具有较好的景深扩展能力。

1、  一种复合型相位掩模板，其特征在于：所述的复合型相位掩模板的相位分布函数包含正弦型和三次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)函数式如下：
θ(x，y)＝α·(x³+y³)+β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))
式中，β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))为正弦型函数，α·(x³+y³)为三次方型函数；其中，α为三次方型函数的幅值，β为正弦型函数的幅值，ω表示正弦型函数的角频率，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。

2、  一种成像系统，由成像镜头、复合型相位掩模板、图像探测器、图像处理单元组成，其特征在于：所述的复合型相位掩模板的相位分布函数包含正弦型和三次方型两种函数，函数式如下：
θ(x，y)＝α·(x³+y³)+β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))
式中，α为三次方型函数的幅值，β为正弦型函数的幅值，ω表示正弦型函数的角频率，x，y为孔径平面归一化的空间坐标；
在成像系统中，成像目标通过成像镜头和复合型相位掩模板后，在图像探测器上形成模糊的中间像，然后图像处理单元对中间像进行去卷积处理，最终得到聚焦清晰的图像。

一种复合型相位掩模板
技术领域
本发明涉及一种相位掩模板，尤其涉及一种三次方型和正弦型两种函数复合的复合型相位掩模板
背景技术
众所周知，任何光学系统都具有一定的景深，只有景深范围之内的物体才能够被清晰成像，而超出景深范围的物体经光学系统所形成的图像将会变得模糊，从而引起细节、纹理的丢失。
早在1960年，W.T.Welford就探讨了使用环状孔径，即中心遮拦方式来扩展光学系统景深的可能性。1987年，Ting-Chung Poon和MasoudMotamedi在使用环状孔径的基础上，依靠数字图像复原算法实际地验证了景深拓展效果，从80年代末到90年代初的这一段时间里，Ojeda-Castaneda Jorge等人使用经典的切趾法也对系统景深延拓这个问题展开了广泛而深入的研究。研究表明，改变孔径形状可以创造大景深的良好效果，但此效果却是以牺牲系统的通光量和降低分辨率为代价而达成的。此外，从80年代中期至今，还有许多非主流的方法被提出用于扩展光学系统的景深，如Guy Indebetouw等人使用菲涅耳透镜、Zeev Zalevsky和Shai Ben-Yaish使用双折射晶体的。光、e光特性也同样获得了景深延拓的效果。
虽然上述方法对扩展光学系统的景深都起到了积极的作用，但是作用相对来说都是比较有限的，真正的突破开始于1995年，美国科罗拉多大学的E.R.Dowski在传统的成像系统中，将雷达领域里使用的模糊度函数和离焦光学传递函数结合起来提出了波前编码成像技术，并推导出了经典的三次方相位分布函数掩模板，此后研究者又陆续提出了对数型、指数型、多项式型相位分布函数掩膜板。
根据相位分布函数可以确定掩模板的物理结构，如在中国发明专利200410018159.2中公开了一种离散连续混合相位型相位板及其实现超分辨的方法，该相位板的相位函数包含两个部分：一部分为连续分布相位板，另一部分为台阶型相位板。又例如美国罗切斯特光学中心的Wanli Chi的博士论文“Computational Imaging System for Extended Depth of Field”第四章“Lens Design and Fabrication”即全面介绍了根据相位分布函数确定掩模板面形的方法。
波前编码成像技术通过将图像复原与光学设计相结合，在不过度牺牲光学系统分辨率和通光量的前提下可以有效地扩大光学系统的景深。科研工作者做了大量的理论分析以及实验研究，肯定了波前编码成像技术所具有的强大威力，证明并且验证了景深提高10倍的效果。这种光/数混合成像技术打破了传统光学系统在扩展景深时的固有的限制，是一种非常有实用化前景的成像技术，受到广泛的关注。
发明内容
本发明提供了一种具有较好景深扩展性能的复合型相位掩模板。
一种复合型相位掩模板，所述的复合型相位掩模板的相位分布函数包含正弦型和三次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)的函数式如下：
θ(x，y)＝α·(x³+y³)+β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))
式中，β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))为正弦型函数，α·(x³+y³)为三次方型函数；其中，α为三次方型函数的幅值，β为正弦型函数的幅值，ω表示正弦型函数的角频率，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。
其中，作为优选，三次方型函数幅值α取值在90到300之间，正弦型函数幅值β取值在范围50到260之间。正弦型函数的角频率ω取值在范围在0.3π到0.6π之间，因为当ω取值过小复合相位板的性能改进不明显，ω取值过大则导致相位板过厚，增加了加工难度。
在各种形式相位分布函数的相位板中，三次方型相位板是经典类型，可实现较大的景深扩展。本发明在三次方型函数的基础上叠加正弦分量的复合型相位掩模板板具有更大的景深扩展能力。
一种成像系统，由成像镜头、复合型相位掩模板、图像探测器、图像处理单元组成。
所述的复合型相位掩模板的相位分布函数包含正弦型和三次方型两种函数，函数式如下：
θ(x，y)＝α·(x³+y³)+β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))
式中，α为三次方型函数的幅值，β为正弦型函数的幅值，ω表示正弦型函数的角频率，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。
在成像系统中，成像目标通过成像镜头和复合型相位掩模板后，在图像探测器上形成模糊的中间像，然后图像处理单元对中间像进行去卷积处理，最终得到聚焦清晰的图像。
成像镜头可以采用现有的各种成像镜头。图像探测器可以采用CCD等。
本发明一种成像系统在传统的光学成像系统中增加了一块复合型相位掩模板，放置在光瞳上。当光路通过此复合型相位掩模板后，光信息被编码，即光学系统在较大的离焦范围内其调制传递函数值变化很小(即对离焦不敏感)，同时系统的传递函数在通频带内没有零点或近零点。这意味着，当系统存在离焦时，超出原始系统景深范围的信息并没有丢失，只是以一种已知的方式被编码。成像在CCD上的是一幅模糊图像，用数字信号处理系统对它进行去卷积解码，从而恢复出锐利清晰的图像。
在波前编码领域，Fisher信息是评价景深扩展能力的重要指标之一。根据Fisher信息的定义，在理想情况下，无论离焦参量取什么值，Fisher信息都应该等于零。因此，Fisher信息的数值越小，就意味着相位板对离焦越不敏感，景深扩展能力越好。
本发明采用正弦型和三次方型两种函数复合的复合型相位掩模板的成像系统的Fisher信息曲线小，具有较好的景深扩展能力。
附图说明
图1是本发明一种成像系统的结构示意图；
图2是采用本发明的复合型相位掩模板的成像系统的Fisher信息曲线与采用三次方型相位掩模板的成像系统的Fisher信息曲线的比较示意图。
具体实施方式
一种复合型相位掩模板，复合型相位掩模板的相位分布函数包含正弦型和三次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)的函数式如下：
θ(x，y)＝α·(x³+y³)+β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))
式中，β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))为正弦型函数，α·(x³+y³)为三次方型函数；其中，α为三次方型函数的幅值，β为正弦型函数的幅值，ω表示正弦型函数的角频率，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。
本发明的一种复合型相位掩模板的面形和指数型相位掩模板的面形比较参见附图2，本发明的一种复合型相位掩模板的面形在附图2中用虚线表示，指数型相位掩模板的面形在附图2中用实线表示。
参见图1，本发明一种成像系统，由成像镜头2、复合相位掩模板3、图像探测器4、图像处理单元组成5。
成像目标1通过成像镜头2和复合型相位掩模板3后，在图像探测器4上形成模糊的中间像，然后图像处理单元5进行去卷积处理，最终得到聚焦清晰的图像6。
复合型相位掩模板的相位分布函数包含正弦型和三次方型两种函数，相位分布函数θ(x，y)的函数式如下：
θ(x，y)＝α·(x³+y³)+β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))
式中，β·(sin(ω·x)+sin(ω·y))为正弦型函数，α·(x³+y³)为三次方型函数；其中，α为三次方型函数的幅值，β为正弦型函数的幅值，ω表示正弦型函数的角频率，x，y为孔径平面归一化的空间坐标。
在波前编码领域，Fisher信息是评价景深扩展能力的重要指标之一。根据Fisher信息的定义，在理想情况下，无论离焦参量取什么值，Fisher信息都应该等于零。因此，Fisher信息的数值越小，就意味着相位板对离焦越不敏感，景深扩展能力越好。
本发明采用复合型相位掩模板的成像系统的Fisher信息曲线与采用三次方型相位掩模板的成像系统的Fisher信息曲线比较参见附图2。
当α、β、ω各参数分别采用表1中的九组优化后的数据时，采用三次方型相位掩模板的成像系统的Fisher信息曲线如附图2中的实线所示，采用本发明正弦型和三次方型两种函数复合的复合型相位掩模板的成像系统的Fisher信息曲线如附图2中的虚线所示。
表1　α、β、ω各参数九组优化后的数据表

通过对比采用相位分布函数为三次方型掩膜板的成像系统的Fisher信息曲线和采用相位分布函数为本发明正弦型和三次方型两种函数复合的复合型相位掩模板的成像系统的Fisher信息曲线，可以看出本发明的成像系统的Fisher信息曲线明显低于前者，因此具有更好的景深扩展能力。