1、国内外研究现状随着现代光学技术的发展，尤其是以信息光学为主的光学与数字图像处理的联合，景深或焦深延拓手段越来越多的应用于各种光学系统，并且方便、有效的实现了对原光学系统景深或焦深的延拓、获取到了物空间更多的有效信息，或者是极大的提高了系统的成像稳定性，提高了系统的复杂环境的适应性，使得系统对像面离焦不敏感。因此，波前编码技术的应用以及相位板的面型种类已成为各国各相关研究机构竞相开展的研究课题。我国在这种形势下，也大力开展波前编码技术的研究，为军事、航空以及航天领域提供了技术积累和应用前景。国外波前编码技术的发展现状 波前编码技术于 1995年由科罗拉多大学的 Dowski 等人首次提出，因此，
2、该技术在国外发展迅速，且被应用至常见的光学仪器系统。 波前编码技术在红外系统中的应用 完整的红外热成像过程是：空间中景物的红外辐射通过红外光学系统投射到红外焦平面阵列（FPA）上，由红外焦平面阵列转换成一维时间分布的电信号，经过后续信号处理，再现景物的红外辐射场；或者使用光学读出法直接得到目标像1。在红外成像的过程中，景物辐射特性、环境温度、大气流动、红外光学系统、焦平面阵列、电子转换电路等都会影响到成像性能。同时，由于红外波段辐射强度较可见光弱，因此红外光学系统尽可能的增大口径，但是增大口径会带来载荷、机械强度、形变、费用等一系列的问题，因此在红外成像系统上使用波前编码技术显得十分重要。Ed
3、ward R 等人将波前编码技术应用于红外成像2，用来解决温差对红外成像导致的像差变化。他们认为，利用波前编码技术可以减小动态失焦比如各种像差，它是由于光学系统机械运动导致，或者是光学透镜形变带来的物理性质的变化所导致，亦或者是光学材料的折射率所导致。传统光学系统控制跟温度有关的像差方法有，采用玻璃材料代替塑料；或者采用更昂贵的对温度不敏感的材料，例如 invar 合金；或者采用更灵敏的温控系统。但凡是跟温度有关的像差，无论是已知还是未知，都可以通过波前编码所采用的波前调制和信号处理来控制。他们认为造成失焦的原因来自一种与众不同的因素，那就是红外光学材料要比可见光材料对温度变化更敏感，例如锗的
4、温度敏感度就是 BK7光学材料的 70倍。而如果没用温控系统，大多数红外系统只能适应 10的温度变化，同时温控系统会增加整个系统的费用，尺寸，重量，因此使用波前编码技术代替温控系统显得十分必要3。如图1 所示，温度会影响红外光学系统两个因素的变化，一个是折射率，另一个是光学透镜的厚度。即使是一幅清晰的图像，在这种温度大幅度变化的环境下也会出现严重失焦，不过这个失焦的程度是可以计算出来的。图1 温度对红外透镜的影响透镜的光焦度可由下式表示， （1）其中，为光学透镜的光焦度，它等于焦距的倒数，T 为温度，n为折射率，为热膨胀系数，从公式可以看出，焦距的位置变化与温度有关，而这些又与离焦量 W20有
5、关4。红外系统中镜片形状和折射率不仅仅是温度函数的全部自变量因素，同时还包括镜头外壳等机械结构因素。以硅材料透镜在铝制的机械结构中举例说明，透镜焦距10mm，F/#为2，红外 FPA像素尺寸 20m，波长取 10m。通过计算，与温度相关的噪声增益曲线如图 2所示，同时该系统的 MTF截止频率对应的值为 0.5。图 2 温度噪声增益曲线据此可以得出结论，采用波前编码技术代替昂贵的温控系统而达到更好的成像效果5。Gonzalo Muyo 等人认为传统的三次位相掩模板的波前编码技术虽然可以扩大景深范围，简化光学系统结构等，但对于红外成像系统，由于热噪声的特点，传统的方法就不适用了。为此，他们提出了单
6、重光瞳编码的概念6。他们认为，传统波前编码技术的相位板面型函数为 ，其中为决定相位板面型的参数，合适的值可以使得光学系统的点扩散函数（PSF）、信息度等在失焦的情况下保持不变。近年来，波前编码相位掩模板面型研究已经扩展到更一般的表面，在空间域中，PSF与 Strehl 比在离焦情况下都可以保持不变44,45,46。在他们的研究中，提出了光瞳面掩模（PPE）的概念，同时将传统相位函数扩展成如下所示的函数，以下将传统光学系统、传统波前编码、以及 PPE的点扩散函数（PSF）作如下对比，如图3所示图 3 各系统的点扩散函数（a） 和（b）分别为传统光学系统对焦处的点扩散函数和离焦处点扩散函数；（c）
7、为传统波前编码系统的点扩散函数，但是由于不对称性，PSF能量分布会随着景深的变化而变化，所以使得在景深范围内各物距对应的调制传递函数（MTF）一致性不是很好；（d）为 PPE 概念下的点扩散函数，虽然掩模板为非奇对称，但是 PSF 为中心对称，在增大离焦量 的情况下，PSF 的分布一致性较好，在后期的图像处理能够获得较清晰的图像。Gonzalo Muyo和Amritpal Singh等人将两片式非制冷型红外成像光学系统成像质量，与去掉一片透镜、在剩下一片透镜上加入非球面所得到的波前编码成像质量作对比，如图4所示，进一步证明了扩展立方相位板比传统原始立方相位板在波前编码红外成像质量上有更大的优势
8、8。图4 （a）两片式立方相位板系统（b）单片扩展立方相位板系统对纯立方位相板，以及扩展三次相位板同时进行优化，优化的依据是大的空间深度9，这里有 ，成像效果较好，MTF曲线与PSF的比较如图5所示，图5 （a）纯立方位相板MTF曲线及PSF（b）扩展立方位相板MTF曲线及 PSF对于两片式红外系统，约束传统红外透镜系统成像质量的因素是场曲和离轴像差，但同时需要减小彗差与球差，结构中引入 Petzval 条件来降低场区以及像散。这种结构适用于非制冷、长波红外的微悬臂梁结构的 FPA，因为此时光学像差不是十分明显，易于控制，同时视场角较小，仅限于3.5之间。图（b）的结构去掉了 Petzval
9、条件11，同时增加了一个非球面，从而形成了两面都是非球面的掩模板结构，经过重新优化以后，高级场区和像散都得到了减小，同时减小了约 45%的光线追迹的运算量，而视场角的范围依旧没有得到提升。从上图的 MTF 曲线部分可以明显的看出，二者在随着空间频率的增加的同时，MTF的值迅速降低，但是不会降至零值，但是扩展三次位相板调制的 MTF曲线一致性比纯三次的要好，只是在高频处的值有所降低。从 PSF的对比同样可以看出，纯三次位相板所带来的 PSF一致性也较差，扩展位相板的调制作用就相对较好一些。对比图（a）与图（b）可知，扩展三次位相板可以移除像散像差中的无效以及负面因素。（2） 波前编码技术在超焦距
10、的应用 所谓超焦距，就是当相机对焦在远处，景深的远极端恰好在无穷远处，则从无穷远处到景深近点端的距离称为超焦距离12。此时再将系统对焦在无穷远，则由超焦距离的一半开始，到无穷远处，都属于景深范围之内，如图6 所示。图 6 超焦距原理在军事等动态导航和目标识别领域，传统夜视系统有两种方法让用户能清晰的看到远处与近处的目标。一种方法是采用变焦手段，另一种就是增加景深。前者需要成像仪对共轭目标不断变焦，达到对焦清晰的结果。该方法在实际中并不实用，因为当看清楚一个目标了，其他不在共轭面上的目标却很模糊，失去了目标识别与跟踪。另一种增加景深的方法有缩小系统的入瞳口径，因为减小入瞳可以抑制像差。但是，由于
11、夜视仪的使用环境属于低照度环境，减小口径会大大降低进入系统的光通量，因此，单一缩小口径的方法是行不通的。Kenneth S. Kubala，Vlad V. Chumachenko，Alan E. Baron等人研究认为，相比传统光学成像，长波红外成像系统具有更近的超焦距点，也就是有更广的景深范围。而通过非球面掩模板和信号处理后，近点距离可以从 50m 减小到不到 10m，即通过波前编码技术可以延拓更广的景深范围13。于是，采用波前编码的方法正好弥补了口径与光通量这一矛盾，能在大口径的情况下，同时增大景深，获取更多的图像信息，通过信号处理还原所需信息。 他们使用的两片式红外成像系统结构如图7所示
12、，相关镜头参数为： F/#为1.3，视场角15 ，光谱范围 8-12m，透镜材料为锗，FPA阵列采用像素为 25m 的微悬臂梁，系统截止分辨率为 20lp/mm。仅在第一块透镜的第二面采用了非球面掩模作用 （掩模面型如图8）形成波前编码系统。图7 两片式红外成像系统结构图8 掩模面型从图 9 可以比较出波前编码技术的红外系统与传统红外系统 MTF 曲线的差异性。可以明显的看出，随着物距的改变，传统红外系统的 MTF 曲线开始迅速下降并且到零点，这说明传统系统的景深范围有限。而采用波前编码技术的红外夜视系统，从 MTF 曲线随着物距的变化趋势可以看出，除了最大视场的那条曲线，其余各视场的MTF曲
13、线一致性保持的非常好，而从单一视场来看，最大视场的MTF一致性也很。这样说明景深的范围得到了很大的提升。图 9 波前编码红外系统（a）与传统系统（b）景深 MTF比较根据超焦距的理论，扩展了有限物距时的景深，近点距离减小，超焦距离增大，那么在对焦于无穷远时，景深范围同样得到了提升，原理如图10所示。由于波前编码的作用，景深近点向光学系统靠近，增大了超焦距离，那么对焦点处于无穷远物时，景深近点同样的向光学系统靠近，这样就增大了空间光学系统的景深范围，以便获得更多的目标信息图 1.20 超焦距景深提升原理2、国内波前编码技术的发展现状 对比国外，我国在波前编码等景深延拓技术领域起步较晚，仅停留在理
14、论设计，模拟仿真阶段，而在具体应用领域的科研贡献较少。目前浙江大学14、南开大学15，上海理工大学16、中科院上海光学精密机械研究所、中科院西安光学与精密机械研究所、哈尔滨工业大学、北京理工大学17在波前编码理论领域做了很多工作，对推动波前编码技术的发展和在民用应用领域前景做出了很大贡献。此外，其他的科研院所和某些企业如中科院长春光学与精密物理研究所，泰邦泰平（北京）科技有限公司等也在此领域进行了多年的研究，并相继推出了一些波前编码系统原理样机。但由于相位板的面型大多是非球面，目前国内对于这类元件的加工精度尚无成熟可靠的技术，因此波前编码元件的加工、检测都存在一定的困难。目前，研究者偏向于计算
15、机仿真，只有少数研究机构做出了实体透射式相位板。浙江大学的刘钦晓等人对波前编码解码算法理论做了深入研究与应用18。 在研究中，他们认为波前编码成像过程是成像卷积的空间域线性方程组的求解过程，并开发出两种迭代算法，综合 Tikhonov 规整化算法和反镜边界条件，推导出一套有效的去卷积抑噪图像空间域迭代复原算法，再利用三通道处理原理，给出了最终的彩色图像空间域迭代复原算法。利用这个算法以及空间域边界条件，他们首先将模糊图像进行边界扩展处理，然后再进行频域滤波复原，分析了处理后的图像频谱特性及其对复原图像边界的影响。后续的实验结果，如图 11所示，证明了他们提出的算法在镜像和反镜像边界处理下，不仅
16、使计算速度快，而且有着优秀的去卷积抑噪效果，同时还能有效的减少复原图像的边界振铃效应。图 1.31 （a）维纳滤波；（b）截断奇异值算法（c）反镜像边界条件规整化广义极小残差图像复原算法（d）镜像边界条件频域快速图像复原算法不仅如此，他们还设计了两套放大倍率 10X，40X的显微镜波前编码系统，运用空间域迭代算法和空域边界处理频域复原算法，分别对显微镜所成的模糊图像进行了图像解码，得到了良好的复原效果，如图 12所示。图1.32 显微镜成像结果 普通显微镜 （a）焦前0.05mm；（b）焦面；（c）焦后 0.05mm 应用波前编码 （a）焦前0.25mm；（c）焦后 0.25mm另外，他们还研
17、究了波前编码系统在水下成像的效果。一般水下成像的点扩散函数是一种随着水深变化的脉冲响应19，如图 13 所示。图13 水下二维点扩散函数（a）1mm；（b）2mm；（c）3mm由于波前编码系统的大像差特性，在一定的水深和水体浑浊度内，尽管水体对成像有影响，但是利用波前编码对水体本身和水下散射成像进行调制，使得模糊图像对水体和水体散射带来的像差不敏感，即水体的点扩散函数的包络依然是一个直角三角形， 再运用他们提出的空间域迭代算法进行复原， 消除了水体本身对成像的削弱作用。实验证明，水下实验复原图像对比度比直接成像明显增强，细节丰富，扩大了波前编码系统的应用范围，如图14所示。图 1.34 水下波
18、前编码系统图像及其复原结果 （a）水下模糊图像；（b）5次迭代（c）10 次迭代由于相位板是波前编码系统的重要部件，而且相位板的形式和种类决定了系统的功能和特点。随着研究的进一步深入，相位板的面型形式越来越多，参数也越来越复杂，而且根据不同的要求和应用而调整参数。一般来说，设计波前编码相位板的步骤是，先根据要求用软件优化出相位板的参数，然后加工和检测，最后才能得到实际的相位板。更重要的是，一块相位板仅对应于一个光学系统，而且相位面型都是一些特殊的非球面结构，单独加工不仅成本高，而且加工周期也比较长，不利于研究的开展进度。虽然通过软件（例如：ZEMAX，CODE V）可以仿真出波前编码系统的成像
19、特点，但这总与实际系统有一定的差异。为了加快对相位板以及对应的波前编码系统的研究进度，天津大学的范立强等人开展研究基于空间光调制器的波前编码技术20，也就是通过某些光电器件和方法来模拟实际的相位板，这样就可以替代加工困难的相位板。这样，通过光电器件的模拟作用来研究相位板，通过计算和优化最终获得与系统搭配的相位板，省去了复杂的相位板机械加工制造过程。经过研究，他们提出采用液晶空间光调制器21来模拟传统的相位板元件，而且还可以实现对不同种类相位板的研究。 他们对传统的三次相位板进行研究，并用液晶空间光调制器模拟二元光学中的菲涅尔透镜，进而代替实际相位板。图15 三次相位面型与对应的菲涅尔面型 如图
20、15所示，（a）为立方相位板的一维以及二维面型示意图，（b）则是对应的菲涅尔透镜的面型示意图。转化的菲涅尔相位板仍然是连续浮雕面型，而液晶空间光调制器应该是离散型的，因此需要将连续型转化为离散阶跃型，如图 16所示图 16 面型转化 （a）实际面型转化为菲涅尔面型；（b）离散阶跃化系统内加入液晶空间光调制器菲涅尔透镜形式之后，获得了与传统波前编码相同的点扩散函数（PSF），如图17所示。图 17 液晶空间光调制器点扩散函数 图 17 的模拟仿真表示，液晶调制器的点扩散函数（b）与实际相位板的点扩散函数（a）几乎完全一致。因此，在实际应用中，也具有与实际相位板相同的性能，可以用液晶空间光调制器代
21、替实际三次相位板，从而实现与传统波前编码系统相同的作用。波前编码技术除了在光学领域具有广泛的应用潜力。以上都是波前编码对光学成像的研究。研究意义对于理想光学成像系统，当物距确定时，在与之共轭的像平面上即可呈现出物体清晰的像。当物距发生变化时，在原共轭像点处光线无法聚焦，而是形成一个能量分散的弥散圆22。对于实际光学成像系统，CCD等探测器以及人眼相当于像平面。由于电子器件或者人眼只具有一定的分辨率，于是，电子器件或者人眼就能接受一定大小的能量弥散圆。 当像距固定时，在物距的前后移动的最大范围内，像平面上依然能够得清晰的像，那么这个变化量就是光学系统的景深23。所以大景深光学系统可以保证当物距变
22、化较大时，像平面仍然能够接收到清晰的像。在医学和生物学中的显微镜系统，由于其数值孔径大，所以系统本身的景深较小。因此，在高倍显微镜观察下，细胞内处于同一物距的切片才能被清晰观察到，切片前后部分却由于模糊而无法观测。在机器视觉领域24，最关键技术也是光电成像。在工业生产中，机器运行和振动都能影响目标偏离系统的景深范围，导致无法清晰成像和精确定位。尤其是当检测不规则形状的物体时，只能检测到部分细节，无法看清工件的全部。光学技术的发展使得光学系统的分辨能力越来越强，但与此同时系统的景深却越来越小。所以既能保证高分辨率，同时又具有较大景深的光学系统是目前非常值得研究的课题。因此，高分辨率和景深二者兼得
23、的方法就是景深延拓技术。大景深光学系统可以获得被测物体更多细节方面的信息，这样可以更好的应用在显微系统中，以便更容易得到组织的三维结构图像，便于医学和生物研究；应用于工业机器视觉成像领域，通过大景深系统可以检测到不易观测的零件内部复杂结构。相对于景深延拓，焦深延拓也同样具有类似的优点。所以，在现代社会的科研工作和工业生产中，光学系统的景深或焦深成为了光学设计者关注的热点，大景深（焦深）系统可以更多的获得物空间的信息，于是景深（焦深）延拓系统的研究具有重要的实际意义和科学价值。 但是，根据传统光学成像理论，景深（焦深）与系统的相对孔径成反比，随着相对孔径的减小，景深会相应的增大。而相对孔径的减小
24、会导致通光量的减小，导致成像面光照度降低，分辨率也会降低25。所以一直以来，保持相对孔径不变而得到尽量大的景深是光学设计者追求的目标。波前编码技术是 1995 年由美国 Colorado 大学的 Dowski 和 Cathy等人提出26，该技术巧妙的结合了光学设计和数字信号处理技术。即在光学系统的光阑位置加入一个三次相位板，使得成像光束不再按照原系统成像特征那样会聚于一点，而是在一个较大的焦深范围，像平面上都能得到均匀的光斑。通过这种方法实现了焦深延拓。由于光线不聚焦在像平面上，因此成像是模糊的，为了得到最终的清晰图像，还必须通过数字图像滤波方法复原出清晰图像27。图 18 波前编码技术原理图
25、 18 所示为利用波前编码进行光学系统景深延拓的原理图。在光阑处加入相位板，通过对物空间景物进行光学调制（编码），使得系统的光学传递函数对离焦量不敏感。带有物体信息的光线在探测器上形成模糊图像，传输到计算机中，然后再对模糊图像进行数字图像解码和增强处理， 最终恢复出一副清晰的成像图片。对于该方法，关键是相位板的选择，通过相位板对成像光波进行编码，从而实现景深延拓。近些年来，该技术被广泛的应用到各成像光学领域。该技术不仅能够保持系统的相对孔径不变，而且可以大幅度的提高景深。 另外，波前编码技术在一定程度上抑制球差、彗差、像散等像差28。因此，将波前编码技术应用于空间光学系统具有很高的实用价值29
26、。二、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题（研究目标、主要内容及关键问题。研究目标设计一款长波双视场红外成像镜头，镜头参数如下表所示：参数数值备注工作波段812m像素数384288像元30m30mF数2.5双视场的焦距100mm250mm主要内容1. 以专利4148548A为初始结构，进行优化。初始结构数据如下表：2. 原设计为5片透镜，1片保护窗口，其中包含两个非球面。要求采用波前编码技术设计一款镜头，具体包括：1） 在光学系统中采用波前编码技术，替代原光学系统无热化设计的方案；2） 充分利用波前编码可极大扩大光学系统景深的特点，使光学系统的设计结果满足无热化要求，即：当光学系统所处环境发生
27、温度、湿度等变化时，红外成像系统不进行调焦补偿亦可保持清晰成像；3） 镜头所采用镜片数量、材料种类尽量少，具体包括： 去掉保护窗口； 将透镜4和透镜5合并为一片透镜，材料用Ge（根据实际优化情况，确定此项是否可以达到）； 编码面尽量与非球面合一，以降低光学系统的加工难度和加工成本；关键问题1、 红外镜头设计方法。2、 波前编码理论研究3、 红外变焦透镜系统设计4、 相位板设计。5、 解码复原算法研究。三、 研究方案（拟采用的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析）研究方法查文献、模仿、仿真，并及时汇报工作进展，遇到问题多和老师、师兄交流。逻辑推理与实验相结合；文献检索和内容分析相结合；个案研
28、究和比较研究相结合技术路线相位板面型函数为 ，其中 为决定相位板面型的参数，选取合适的值使得光学系统的点扩散函数（PSF）、信息度等在失焦的情况下保持不变。实验方案及可行性分析目前浙江大学、南开大学，上海理工大学、中科院上海光学精密机械研究所、中科院西安光学与精密机械研究所、哈尔滨工业大学、北京理工大学在波前编码理论领域做了很多工作。他们的研究成果都为本课题的研究提供了丰富的可供参考的数据。另外，北京理工大学光电学院也在该领域进行了比较深入的研究，积累了大量的理论和实验经验，这些也为本课题的研究提供了技术支持。因此，拥有这些实验和理论基础，本课题按技术路线进行是有保证的。四、研究工作进度安排
29、（宋体，小四，行间距22磅）3.1-3.18 学习变焦镜头设计方法3.19-4.2文献翻译4.3-4.10学习位相板设计方法4.11-4.20设计出红外定焦镜头上的位相板形状并实验仿真4.21-4.30设计出红外变焦镜头上的位相板形状并实验仿真5.1-5.10实验验证加入特定波前编码位相板的红外成像系统景深延拓效果5.11-5.20论文报告撰写5.21-6.1准备答辩PPT五、参考文献1 邢素霞, 张俊举, 常本康, 等. 非制冷红外热成像技术的发展与现状J. 红外与激光工程, 2004, 33（5）: 441-444. 2 Dowski Jr E R, Kubala K S. Modeling of wavefront-coded imaging systemsC.AeroSense 2002. International Society for Optics and Photonics, 2002: 116-126. 3 Dowski Jr E R, Kubala K S. Reducing size, weight, and cost in a LWIR imaging system with wavefront codingC.Defense and Sec
