Wavefront coding (WFC) is used to extend the field depth of an incoherent optical system by employing a phase mask on the pupil. We uses a Fisher information (FI) metric based optimization method to design a phase mask by taking the modulation transfer function (MTF) of the practical optical system into consideration. This method can modulate the wavefront so that the point spread function and optical transfer function are insensitive to the object distance. The simulation results show that the optimized phase mask based on the proposed method can further improve the defocusing image quality while maintaining the focusing image quality.

采用三次相位板进行景深延拓的波前编码系统得到非对称的点扩展函数。为了获得最终清晰的彩色图像，研究了一种基于广义极小残差法(GMRES)的迭代算法，结合Tikhonov规整化方法，并利用多通道处理过程对中间图像进行去卷积恢复。为了消除恢复图像边界的振铃效应，推导了新的光学成像过程数学模型，该模型采用反镜像边界条件并利用直积近似对卷积核进行处理。模拟数据的分析表明，采用多通道处理过程对彩色图片进行恢复时，新的算法在给出精确的反卷积结果的同时能有效地抑制噪声的放大;实验结果显示，较之经典的维纳滤波恢复结果，新算法能够更好的消除边界的振铃和图像边缘的振动波纹。

通过在光学系统的光阑面上加入一个非球面相位板,使得光学系统的成像对离焦不敏感.但当入射视场角较大时,图像的边缘发生变形且难以恢复.针对此问题,提出了两种解决方案,方案一是把相位板移至光路中光线较为平缓的区域,但不是系统的光阑位置;方案二是保持相位板位置不变,优化整个光学系统,使相位板前的光线能够平缓地入射到相位板.实验中对一个EFL=12.5 mm,F/#=1.3,半视场角为13.5°的波前编码实际系统进行仿真比较,得出方案二可以有效地消除波前编码相位板引入的视场效应.

波前编码技术是在成像系统的光阑面插入一个非球面相位板,得到一个中间模糊图像,并通过数字图像处理得到清晰图像.波前编码使得成像系统对很多离焦像差不敏感,例如温度引起的像差.这使得该技术可以应用于红外成像系统中,同时可以增大系统的焦深.设计了一个有效焦距f'为35mm,光圈F为2,工作波长为8～12μm的红外成像系统,并且通过数值模拟温度-20℃至60℃的改变,得出波前编码系统在不同温度不同物距下的MTF和PSF基本一致,最后通过数字滤波,可以在大温差的情况下重建大景深清晰图像.

波前编码(WFC)是一项使光学系统在维持相对孔径的同时扩大焦深的新技术.现以光学传递函数稳定性作为目标函数,以遗传算法作为搜索算法,优化得到一个适用于焦距f为100mm,光圈F为5,最大半视场角3°的双胶合透镜系统的波前编码相位板的修正形式的三次项系数.模拟结果表明在像面固定的情况下,传统光学系统只能在无穷远到300m内清晰成像,而经优化的波前编码系统可以在物距无穷远到5m内清晰成像,大幅度增加了光学系统的景深.

提出了一种简单的可用于光学系统中子午弧矢方向白光OTF稳定性评价的波前编码相位板参量优化方法.该方法仅以标准偏差来评价OTF在目标景深范围内的稳定性,并且结合自适应模拟退火算法在参量空间内优化得到相位板的最佳参量.使用该方法优化得到的相位板参量,可以大幅度提高光学系统的景深,并且可以获得更为清晰、稳定的成像.对应用波前编码技术前后光学系统的成像性能作了比较,并且考察了优化参量的容差性.

基于几何光学理论利用光线追迹方法得到了适用于任意面型相位板的大视场平行光入射情况下的光线像差近似表达式,并在此基础之上分析了奇对称型相位板波前编码系统的点列图的大小、边界以及光线结构等特性,研究了大视场角平行光入射下的光线像差增强及点列图形变等现象,并且给出了相应的近似数学解析式来描述这些特性。通过对奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图特性分析,有助于进一步的理解波前编码技术并且指导实际系统的设计。

波前编码技术在大幅度地增加光学系统景深的同时,可以抑制各种离焦类型的像差。目前波前编码系统的成像特性分析大多是基于空间频率域的分析,在应用稳定相法导出三次型相位板波前编码系统的点扩展函数近似解析式的基础之上,描述了点扩展函数的边界、带宽与振荡等特性,分析了波前编码系统对离焦、像散、彗差等常见像差的敏感性,从空间域进一步分析了波前编码系统的成像特性。

在兼顾图像恢复能力的基础上,将不同物距下点扩展函数相似性的评价函数费希尔信息量(Fisher Information,FI)应用到波前编码实际光学系统相位板的优化设计中。在焦距和孔径之比为3、有效焦距为100 mm的无穷远成像的双胶合系统的基础上,设计得到了双胶合－波前编码系统。通过解码前后的点扩展函数模拟和实验结果表明,该系统在5 m到无穷远的物距范围内很好地调制了系统的点扩展函数,使得它对物距不敏感。最后通过对位于5 m,10 m和15 m的三人分别进行传统双胶合成像和双胶合波前编码系统的成像实验对比,有力地证明了双胶合系统的清晰成像的物距范围从10 m到无穷远扩展到5 m到无穷远,这使得光学系统景深得到很大的延拓。

Optical systems are analyzed with three kinds of rotational symmetric pupil masks: annular Gaussian ring mask, supergaussian ring mask, and quartic phase mask. In these masks, the quartic phase mask is found to be the best one to extend focal depth. Point spread function (PSF) and Strehl ratio (SR) are used to evaluate the imaging quality of the system with different defocus parameters. Without decoding needed, the focal depth of the system with quartic phase mask is four times as deep as aberration-free system. Different from the others, it suffers no obvious loss in the light throughput and lateral resolution. With twice focal depth extension, supergaussian ring mask suffers less loss in light throughput and lateral resolution than annular Gaussian ring mask.