波前编码技术理论研究及其在液体变焦透镜的应用

论文摘要

波前编码技术以傅里叶光学为理论基础,利用信号处理理论设计出光学系统的光瞳函数,并以此来对系统的传递函数进行“编码”,再针对采集到的图像进行对应的数字图像“解码”,以实现某些常规光学系统难以实现的功能。波前编码术因在扩大景深方面的优异表现近十多年来获得了不少光学研究者以及计算机图形处理技术研究者的关注,该技术可以以较低的成本,在不牺牲分辨率的条件下获得相对于常规光学系统一个数量级的扩大景深效果。而波前编码技术的应用不仅仅只限于扩大景深方面,其以系统离焦传递函数为研究对应,波前编码技术同样适用于缩小景深以及直接估算物体离焦状态——被动测距,但目前关于这两方面的研究并未获得足够的关注。本论文综合波前编码技术在被动测距以及景深控制方向的应用,对波前编码技术进行了较为系统的理论研究。对波前编码技术中对应的调制函数特点以及系统传递函数特性进行分析。对被动测距的余弦调制函数以及扩大景深的三次方位相函数与系统坐标的对准误差带来的影响进行了分析,分析结果显示了后期滤波函数坐标与实际系统对应坐标匹配的必要性；利用费希尔信息矩阵从空间频域上对这两个系统对应的精度进行了分析,推导了对应的Cramer-rao下限,并结合不同输入频谱特性对被动测距系统的离焦参量估算精度进行了讨论,分析结果显示对于不同离焦参量估算精度存在较大差别。另外介绍了波前编码缩小景深技术的原理,利用系统离焦传递函数的希尔伯特空间角建立了该系统的目标函数,通过将位相函数设定为正弦三角级数展现形式,利用自适应遗传算法对该级数频率以及各级数系数进行了优化选择,从而设计出了满足缩小景深要求的位相函数,从仿真结果可以明显看出该系统小景深的效果。本论文还结合液体变焦透镜对相关应用进行了探讨和仿真。详细介绍了一种基于单点金刚石车削和软刻蚀工艺的PDMS液体变焦透镜加工流程及其相关参数,并针对常用的单腔体结构容易出现边缘脱落的情形提出了双腔体改进结构。在此基础上提出了将液体变焦透镜与波前编码被动测距相结合的思路,以此来提高波前编码被动测距精度和扩大测试范围,并建立了对应系统的模型,分析了液体透镜中球差对该系统的影响并探讨了该透镜焦距标定的方法；提出了将波前编码扩大景深技术应用于液体变焦透镜的思想,利用光学软件对该系统光学性能进行了仿真,这对于完善液体变焦透镜具有理论指导意义。考虑到加工条件限制,利用旋转对称位相函数研制了具有长焦深液体变焦透镜,并对该透镜加工结果以及光学性能进行了测试,这对于将波前编码技术应用于液体变焦透镜具有较好的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 波前编码技术简介
• 1.3 国内外研究进展
• 1.4 本论文的研究内容
• 2 基于波前编码被动测距的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于正交编码法被动测距系统分析
• 2.3 测距精度分析
• 2.4 测距流程
• 2.5 本章小结
• 3 基于波前编码技术扩大景深的研究
• 3.1 引言
• 3.2 波前编码扩大景深位相函数
• 3.3 位相板对准误差分析
• 3.4 三次方位相波前编码系统分析
• 3.5 本章小结
• 4 基于波前编码缩小景深技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 缩小景深的位相调制函数
• 4.3 系统特性分析
• 4.4 本章小结
• 5 PDMS液体变焦透镜
• 5.1 引言
• 5.2 PDMS液体变焦透镜工作原理
• 5.3 基于金刚石车削和软印刷的PDMS液体透镜加工流程
• 5.4 双腔体PDMS变焦透镜
• 5.5 本章小结
• 6 基于液体变焦透镜的正交编码被动测距的研究
• 6.1 引言
• 6.2 系统模型
• 6.3 液体变焦透镜球差对系统的影响分析
• 6.4 系统测试流程
• 6.5 本章小结
• 7 扩大景深技术在液体变焦透镜上的研究
• 7.1 引言
• 7.2 系统模型
• 7.3 系统分析
• 7.4 长焦深液体变焦透镜的制作与光学性能测试
• 7.5 本章小结
• 8 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录