含三次位相元件照相物镜的设计

    1 引 言

    通过特殊光瞳形式提高光学系统焦深是光学成像领域中比较热门的研究之一,现在采用的方法主要有环形光瞳法[1]、切趾法[2]、及菲涅尔波带片法[3]等。这些方法或者减少光通量或者损失分辨率,因此并没有得到广泛的工程化应用。波前编码(WFC)技术[4]是近些年来解决系统焦深问题较成功的方法之一,其基本思想是:通过特殊位相元件,使光学系统点扩散函数(PSF)在一定焦深范围内与位置无关。采用数字方法后,可在整个离焦范围内获得清晰的成像结果。由于采用全孔径位相光瞳的形式,该方法可以在保持光通量及分辨率不变的情况下,提高光学系统焦深。

    该领域在国内目前处于理论研究阶段,西安光机所做了大量有意义的理论探索[5-6]。本文工作主要是在波前编码技术理论的基础上,着重探讨其在光学系统中的应用问题。以典型双高斯型照相物镜作为光学系统模型,模拟了包括数字处理在内的整个波前编码技术的成像过程。

    2 设计方法

    (1)选取典型双高斯结构形式,通过设计得到具有以下光学特性的光学成像系统模型[8-10]:

    图1为系统结构图。表2为系统结构参数,孔径光阑位于前后两组中间。该系统离焦使用,系统最佳像面处位于-0.056 2 mm。

    (2)在图1所示孔径光阑处加入透射式三次位相板,构成三次位相板系统(以下简称为CPP系统)。该位相板具有位相形式[4]:

    其中A用于控制位相板最大位相变化。根据文献[4],当位相板位相变化值>10K时,三次位相板使系统点扩散函数对成像位置不敏感。又:

    N为位相板产生的光程差。根据光阑前后间隔,位相板基底厚2 mm(该厚度对离焦容限无影响,轴上有平移量),材料为K9玻璃,折射率1.516 3。式(2)中N是空气中的光程差,计算时要根据所选玻璃折射率折算成实际光程差。图2为位相板面型示意图。本文设计采用的位相板位相PV值为20K。主要是考虑到市场上有这类的工业级产品,可减低整机的研发周期。该位相板具体参数请对照参考文献[7].

    (3)对于f/1.7的系统,理论上?3.28Lm为对应瑞利判据?K/4光程差的焦深[8],1.6K近似对应0.02 mm的离焦量,该数值为瑞利判据的6.4倍。考虑最佳像面位置后,该离焦量实际成像位置在-0.076 2 mm处。同时,本文给出瑞利判据100倍焦深范围内约?0.328 mm离焦范围的离焦传递函数。

    (4)成像模拟。利用CODEV→Analysis→Diffraction→2D Image Simulation,模拟成像目标A为美国空军标准靶。图像大小为2 775@2 810。(图6所示)

    (5)图像恢复。由于三次位相板系统MTF无零点,故可以采用简单直接逆滤波的方法进行图像恢复。采集CPP系统不同离焦位置(包括焦点处)点扩散函数(PSF)数据,设计数字滤波器。将这个滤波器首先对点物成像的编码像进行滤波,以验证其准确性,滤波后应得到一个近似衍射极限的PSF图像。然后用该滤波器对模拟成像目标A的编码像进行滤波,得到最终成像结果。