基于无衍射光的大景深成像技术研究

论文摘要

大景深光学成像系统具有更大的成像空间,不需要进行机械调焦和用于三维显示等优点,长期以来倍受研究者关注。本文根据无衍射光具有线焦的特性,将其应用于成像系统中以增大光学系统的景深。本文的主要研究工作及创新如下:研究了轴锥镜在不同光源下所产生光场的光学特性,建立了其理论数学模型。基于平行单色光照射轴锥镜的衍射特性,推导了轴上点产生的发散、会聚球面波照射轴锥镜的衍射特性。同时根据光源的光谱特性,建立了准单色光和复色光照射轴锥镜的衍射图样。分析了两束无衍射光的干涉理论。利用两小孔产生两束相干的无衍射光,依据单束倾斜平行光照射轴锥镜的衍射场,分析出这两束无衍射光产生的干涉场为每束无衍射光的无衍射场的线性叠加,即为两个零阶贝塞尔函数的叠加。根据暗条纹的计算公式,推导出干涉条纹的轨迹为双曲线。设计并研制了三种常用的大景深成像原理实验装置。利用轴锥镜能产生无衍射光的特性,分析了将其应用到成像系统中增大景深的原理。根据应用的不同,分别设计了大景深1:1成像系统、显微成像系统和望远成像系统。以设计的1:1成像系统为例,推导了无衍射光大景深成像系统的点扩散函数的形式和变化规律,重点分析了点扩散函数中心光斑的变化规律,这个变化规律为系统所成的像的变化原因以及进行图像复原提供了理论依据。还从光学传递函数、分辨率、对比度和景深等方面对成像系统进行了深入的理论分析。介绍了四种常用的图像复原方法:维纳滤波,约束最小二乘方,Lucy-Richardson法和盲复原法,并比较了这四种方法对无衍射光成像系统的恢复结果。针对无衍射光成像系统的成像特性,提出了多幅图像叠加法。由于无衍射光成像系统的点扩散函数扩散较开,使得所成的像对比度很低,图像细节淹没在大量噪声中,为了提高图像的对比度和清晰度,提出了这种有效的算法。用设计的成像系统分别对字符、图案和空间连续的物体进行了成像实验。成像实验表明,本文设计的三种基于无衍射光大景深成像系统比普通光学系统有更大的景深,因此,本文提出的方法能有效的增大非相干成像系统的景深。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 大景深成像技术的意义
• 1.2 大景深成像技术概述
• 1.3 无衍射光技术概述
• 1.4 本文的主要研究工作及各章主要内容
• 2 无衍射光技术理论
• 2.1 轴锥镜的传输特性
• 2.2 单色光照射轴锥镜的特性
• 2.3 无衍射光的干涉及应用
• 2.4 准单色光照射轴锥镜的特性
• 2.5 白光照射轴锥镜的特性
• 2.6 本章小结
• 3 大景深成像系统设计
• 3.1 无衍射光大景深成像技术的基本原理
• 3.2 大景深1:1 成像系统的设计
• 3.3 大景深显微系统的设计
• 3.4 大景深望远系统的设计
• 3.5 照明系统的设计
• 3.6 本章小结
• 4 大景深成像技术理论分析
• 4.1 点扩散函数的分析
• 4.2 大景深成像系统的光学传递函数
• 4.3 分辨率与对比度
• 4.4 景深分析
• 4.5 本章小结
• 5 图像复原方法研究
• 5.1 无衍射光成像系统图像的特性分析
• 5.2 常用的图像复原方法
• 5.3 点扩散函数的估计
• 5.4 算法比较
• 5.5 多幅图像叠加法
• 5.6 图像复原质量的客观评价方法
• 5.7 本章小结
• 6 成像实验与结果分析
• 6.1 大景深1:1 成像系统的成像实验与结果分析
• 6.2 大景深显微系统的成像实验
• 6.3 大景深望远系统的成像实验
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望及今后工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表学术论文目录