大焦深系統(tǒng)的成像特性及設計方法研究.pdf

1、自由曲面用于矯正像差，提高光學系統(tǒng)成像質量是光學設計領域一個重要的發(fā)展方向。波前編碼技術-Wavefront coding（以下簡稱WFC）是較為獨特的一種將自由曲面用于成像光路以提高成像質量的方法。其將光學與近代數(shù)字圖像處理技術相結合，在光學系統(tǒng)焦深擴展方面有重要的技術突破。該技術創(chuàng)造性地將光學與近代數(shù)字圖像處理技術相結合，通過在孔徑光闌或者出瞳位置插入一塊特殊的相位掩模板，在光瞳函數(shù)上附加一個特定的相位分布，使得在較大的焦深范圍內，

2、其光學傳遞函數(shù)（OTF）或者點擴散函數(shù)（PSF）不變或對物距變化不敏感，從而在探測器上形成差異極小的模糊的中間圖像，再通過后續(xù)的數(shù)字濾波手段對中間圖像進行解碼，恢復成清晰的最終圖像。WFC技術不僅在光學系統(tǒng)焦深擴展方面有重大的技術突破，而且能很好的控制離焦及離焦相關像差，同時也可以校正系統(tǒng)制造安裝誤差和溫度變化引起的像面離焦。
　　 本文在深入研究波前編碼自由曲面設計方法的基礎上，重點研究了三次面型自由曲面（即三次位相板）的實際

3、應用問題，并在多種光學系統(tǒng)中成功應用自由曲面以增大光學系統(tǒng)焦深。由于該技術涉及光學及數(shù)字兩個領域，因此本文還重點研究了應用中的信噪比問題。根據(jù)人眼信噪比模型，給出了適合本技術應用的頻率信噪比模型。本文研究對于深入拓展波前編碼技術的應用較有理論和實踐意義。
　　 主要工作如下：
　　 1.完成了三次自由曲面在雙高斯照相物鏡中的應用設計。在傳統(tǒng)系統(tǒng)光闌位置加入三次位相板，經優(yōu)化后，即可在焦平面附近得到滿意的光斑分布。擴展焦深

4、范圍在5倍左右；創(chuàng)新性地在紅外折反系統(tǒng)中加入三次位相板，解決系統(tǒng)溫度離焦問題。模擬結果表明，在常規(guī)使用環(huán)境-40°～+60°下，三次自由曲面較好解決了紅外系統(tǒng)溫度離焦問題，在兩個極限溫度下，系統(tǒng)MTF的一致性達到95％；將三次位相板用于由三塊反射鏡組成的離軸三鏡消像散系統(tǒng)（TMA系統(tǒng)）中，所設計的TMA系統(tǒng)地面分辨率達到了米級，覆蓋寬度為幾十公里，解決以往主動調焦機構可靠性差的問題。減小了系統(tǒng)尺寸，使相機結構緊湊，利于實現(xiàn)輕量化。

5、>　　 2.研究了三次自由曲面加工公差對系統(tǒng)成像結果的影響。采用的自由曲面元件屬于無光焦度元件，因此除了面形不規(guī)則以及偏心外，其它各項公差對系統(tǒng)MTF的影響都非常小。
　　 3.借鑒人眼可分辨信噪比的概念，提出了一種用于分析波前編碼系統(tǒng)性能的信噪比模型，該模型具有直觀性。仿真分析結果表明，該信噪比完全能夠真實反映系統(tǒng)性能。并可以作為設計過程中較為有力的評價參數(shù)。
　　 4.設計、搭建WTC實驗系統(tǒng)。保持景深位置不變，像