波前编码技术及其在裂缝宽度测量中的应用研究

论文摘要

如何扩大非相干光学成像系统的景深是应用光学领域的热点问题之一。在传统光学系统中,为了扩大系统的景深,通常的做法是缩小相对孔径,但这会降低光学系统的光通量和分辨率,最终影响成像的细节。波前编码技术是90年代才发展起来的一门新技术,是一种光学成像与数字信号处理相结合的综合成像技术,是对当前成像技术的一次革新。其原理是在传统光学系统的出瞳面加入一个特殊设计的纯相位掩膜板,可以看作是相位掩膜板对波前进行编码,使得传统光学系统的成像对离焦变得不敏感,再结合适当的数字滤波对中间像进行解码,得到离焦的清晰像。该项技术不但可以增加光学系统的焦深,也能够通过去除系统光学面的方法降低系统成本、提高系统装配允差和系统对环境的适应性。本文在波前编码技术研究的基础上,设计了基于立方相位板的波前编码成像系统,实现裂缝宽度测量,并完成了初步实验。本文的主要工作包括以下几个方面:分析了带有立方型相位板的波前编码系统的点列图形状、边界等同光学系统参数的关系,并且用相应的近似数学解析式用来描述这些特性,有助于对波前编码系统的设计及其成像本质的理解。设计了基于立方型相位板的波前编码成像系统,实现裂缝宽度测量,讨论分析了系统的装配允差,包括立方型相位板的平移、倾斜等。搭建了带有立方型相位板的裂缝宽度测量系统,采用不同的目标在不同物距下进行了实验,并对该系统输出的中间像进行恢复。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 波前编码技术
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 波前编码系统理论基础
• 2.1 波前编码系统的基本特征
• 2.1.1 基于点扩散函数的比较
• 2.1.2 基于调制传递函数的比较
• 2.1.3 基于传输光线的比较
• 2.2 相位掩膜板
• 2.2.1 稳相位法
• 2.2.2 模糊函数
• 2.2.3 立方型相位板
• 2.3 波前编码系统点列图的分析
• 2.3.1 光线像差的导出
• 2.3.2 点列图的大小
• 2.3.3 点列图的边界
• 2.3.4 点列图的光线结构
• 2.4 波前编码系统中间像的恢复理论
• 2.4.1 解码理论
• 2.4.2 图像退化/恢复的模型
• 本章小结
• 第三章 基于波前编码技术的裂缝宽度测量系统设计
• 3.1 系统的设计要求
• 3.2 系统的设计方法
• 3.3 系统的设计结果
• 3.3.1 未引入相位板的系统
• 3.3.2 引入相位板的波前编码系统
• 3.4 系统的装配允差
• 3.4.1 相位板的平移
• 3.4.2 相位板的倾斜
• 3.4.3 其它装配问题
• 本章小结
• 第四章 实验
• 4.1 试验系统
• 4.2 实验仪器
• 4.3 实验结果
• 4.4 波前编码系统中间像的解码
• 本章小结
• 第五章 工作总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢