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大景深大视场波前编码成像系统理论研究、设计及实现

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致谢

1 引言

1.1常用的景深延拓方法

1.2应用孔径编码技术进行景深延拓

1.2.1旋转对称型掩模

1.2.2基于三次相位掩模的波前编码解码系统

1.3目前国内外的研究情况

1.3.1国外的发展现状

1.3.2国内的研究现状

1.4本文的立项依据和研究内容

1.5附录:用稳相法推导波前编码系统的光学传递函数

1.5.1稳相法简介

1.5.2模糊函数和光学传递函数

1.5.3推导过程

1.6参考文献

2 波前编码系统的大视场效应分析

2.1引言

2.2一维大视场效应

2.2.1理论分析

2.2.2模拟结果

2.3二维大视场效应

2.3.1理论分析

2.3.2模拟结果

2.4本章小结

2.5参考文献

3 基于光学软件的波前编码系统设计

3.1大景深波前编码系统的设计思路

3.1.1波前编码光学系统设计的特点

3.1.2大视场大景深波前编码系统设计的方法

3.2消除视场效应的大景深波前编码光学系统的实例设计

3.2.1光学结构对比

3.2.2模拟结果对比

3.3本章小结

3.4参考文献

4 波前编码系统的空间域解码

4.1引言

4.2数学基础

4.2.1几种矩阵

4.2.2边界条件

4.2.3直积分解

4.2.4奇异值分解

4.3基于MTF的TSVD图像恢复算法

4.3.1理论分析

4.3.2模拟结果

4.4基于反镜像条件和直积分解的双共轭梯度平方稳定算法

4.4.1算法描述

4.4.2模拟结果

4.5本章小结

4.6参考文献

5 波前编码解码系统的硬件和软件实现

5.1硬件实现

5.1.1 光学机械结构

5.1.2电路总体硬件架构

5.1.3探测器选择

5.1.4 USB接口

5.2软件实现

5.2.1图像处理总体框架

5.2.2波前解码算法的软件实现

5.3本章小结

5.4参考文献

6 大景深大视场波前编码镜头的实验

6.1镜头的光学系数

6.1.1光学结构

6.1.2波前编码镜头和普通镜头的成像性能对比

6.2 PSF的获取

6.2.1通过光学设计软件获取PSF

6.2.2通过实验获取PSF

6.3实验结果

6.3.1普通光学系统的成像实验结果

6.3.2波前编码光学系统的成像结果

6.3.3实验结果分析

6.4本章小结

7 总结和展望

攻读博士学位期间发表的论文

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摘要

波前编码解码系统,一种光学编码和数字解码两步成像系统,可以获得传统光学成像系统无法达到的超大景深。首先,物体通过三次相位掩模调制的光学系统在像面上成中间模糊像,且保证大景深范围内所成的像的模糊程度一致;然后,利用中间像模糊程度一致的特点,利用频域或空间域等各种算法对它们进行图像恢复,从而得到最终清晰像。这项技术无论是在军事还是在民用的光学成像系统上都具有非常广阔的应用前景。
   首先,本文首次从傅立叶光学的角度分析倾斜入射对光瞳的影响:对点扩散函数(PSF)来说,大视场会造成边扩展效应和扭曲效应;对于调制传递函数(MTF)来说,大视场会直接造成数值的降低。因此,视场效应对最终的解码图像会产生不利影响。
   其次,本文首次提出了基于主流光学软件的波前编码光学系统的设计思路,首次提出利用控制光瞳面的主光线最大入射角来抑制视场效应。通过两个设计实例,不但印证了理论推导得到的视场效应;而且证明了视场效应的抑制手段在实际的光学系统设计中取得了明显的效果。
   第三,本文首次提出了基于MTF的TSVD图像恢复算法和基于反镜像边界条件和直积分解的双共轭梯度平方稳定的图像恢复算法。前者是直接法,适用于需要实时显示的场合;后者是迭代算法,速度虽慢却效果很好。两种算法都较传统的算法大大减小了计算量,取得了更好的恢复效果。尤其是后者,在保留了更多图像细节的前提下,有效地抑制了图像边缘和物体边界的振铃效应。
   然后,我们给出了波前编码解码系统的硬件和软件实现方案。硬件上,本文从光学机械结构和电路两个方面进行详细地介绍。软件上,介绍了以波前解码为核心的图像处理流程。
   最后,我们通过一个大景深大视场波前编码系统的实际系统给出了实验结果。实验结果表明:基于光学软件的设计手段成功实现了大景深大视场波前编码成像系统。通过双共轭梯度平方稳定算法进行解码,不但消除了维纳滤波算法中存在的振铃效应,而且保留了更多的细节,取得了很好的图像恢复效果。

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