没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
基于可见光波段的编码优化消色差衍射透镜设计分析.docx
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 118 浏览量
2023-02-23
20:47:28
上传
评论
收藏 814KB DOCX 举报
温馨提示
试读
12页
基于可见光波段的编码优化消色差衍射透镜设计分析.docx
资源推荐
资源详情
资源评论
摘要
传统衍射光学元件(DOE)在宽波段工作时存在的严重色散限制了它在宽波段成像中的应
用。提出一种基于编码优化的消色差衍射透镜设计,对整个衍射透镜的微结构高度进行编
码后,利用粒子群优化算法进行优化,以平衡各个波长在特定焦距下的聚焦作用,使各波
长的点扩展函数(PSF)变得几乎相同,实现 400~700 nm 连续可见光波段中消色差的目
的。对传统 DOE、分区方式消色差 DOE 和所提出的编码优化消色差 DOE 进行仿真验证
和成像测试。结果表明,相较于其他两种 DOE,编码优化 DOE 在各波长下的 PSF 更一
致,可见光下截止频率提高至 8.6 lp/mm。相较于传统 DOE 和分区消色差 DOE,所提出
的编码优化 DOE 在可见光下具有更好的消色差能力和更高的分辨率。
Abstract
The serious chromatic dispersion of traditional diffractive optical elements (DOEs) limits
their application in wide-band imaging. In this paper, a design of achromatic diffractive
lens is proposed. After coding the microstructure height on the whole diffractive lens, the
microstructure height is optimized by the particle swarm optimization algorithm to balance
the focusing effect of each wavelength in the visible spectrum at a specific focal length,
so that the point spread function (PSF) of each wavelength in the visible spectrum
becomes almost the same, achieving the goal of achromatism in the continuous visible
light band from 400 nm to 700 nm. The simulation and imaging test of traditional DOE,
zone achromatic DOE, and coding optimized achromatic DOE proposed in this paper are
carried out. Compared with the other two DOEs, the PSF of coding optimized DOE at
each wavelength is more consistent, and the cut-off frequency under visible light is
increased to 8.6 lp/mm. Therefore, compared with traditional DOE and zone achromatic
DOE, the coding optimized DOE proposed in this paper has better achromatic ability and
higher resolution in visible light.
1 引言
衍射光学元件以其轻薄的物理结构、大而灵活的设计空间和宽松的面型公差,现已在成像
系统中得到越来越多的应用。传统衍射光学元件(DOE)的点扩展函数(PSF)受波长影
响严重,成像时非设计波段会出现大直径模糊,给图像带来明显的色晕,有时即便在单个
色彩通道上也会出现色散模糊
[1-2]
,因此传统 DOE 的应用常局限于窄波段成像系统。
为提高 DOE 在可见光下成像的实用性,国内外很多单位开展了 DOE 的消色差研究。
2010 年美国国防高级计划研究局提出薄膜光学成像实时开发计划(MOIRE),该项目利
用 10 m 口径衍射主镜和 Schupmann 消色差结构实现 580~620 nm 波段的消色差成像
[3]
。但 Schupmann 结构复杂,需要引入后视镜组校正其他像差,并且 Schupmann 系统
的公差要求严、带宽窄、视场小,MOIRE 项目中视场仅为 0.016°。2015 年 Nikonorov 等
[4]
使用单片菲涅耳透镜进行成像,通过跨色彩通道先验的算法来校正色差,从而把消色差
的工作转移到算法上。由于 DOE 的强色散,即便在理想色彩通道上也会产生色散模糊,
因此由反卷积带来的处理噪声无法避免。文献[5]使用折衍混合透镜,以折射透镜正色
差补偿 DOE 巨大的负色差,再利用后端算法校正残余像差。谐衍射透镜具有折射与衍射
的混合特性,它的微结构高度是传统 DOE 的 m(m 为正整数)倍,并且 m 越大,其折射
就越强,相对于普通 DOE 其像差更小,但依然无法弥补衍射带来的大色差,需要后端算
法校正
[6]
或加入后视镜组进行色差补偿
[7]
。多层衍射元件通过不同材料、不同微结构高
度的谐衍射元件对贴组合,将不同波长所对应的衍射级次进行调整聚拢,再结合其他镜组
校正残余像差,从而实现可见光波段的消色差成像
[8-9]
。文献[10]利用分区思想,将不
同设计波长的衍射微结构进行分区组合,实现多个波长下的清晰成像,但在宽波段成像时
依然会出现色差模糊。以上方法大多通过增加其他镜组或引入虚拟光学组件来校正 DOE
的大色差,使得 DOE 在宽光谱的应用受到视场、结构等诸多限制。即便运用图像复原算
法,系统在后端校正色差时也面临计算复杂度、内存、实时性等挑战。因此,探究一种
DOE 设计方法以从本质上改善 DOE 的强色散特性是有必要的。
基于此,本文提出一种在可见光下实现宽波段消色差的衍射透镜设计,对 400~700 nm 的
可见光波段进行密集离散采样,通过对 DOE 的表面微结构高度进行编码优化,在特定焦
距下平衡其对不同波长的聚焦作用,使其在 400~700 nm 连续可见光光谱下的 PSF 变得几
乎相同。对所设计的编码优化消色差 DOE 进行了仿真分析,并在 8 mm 口径下进行实际
加工和成像测试,实验结果表明,本文方法能达到预期的消色差效果,具有可行性和实用
性。
2 基本原理
傅里叶光学中,一个非相干的成像过程被建模为理想像与系统 PSF 的卷积过程
[11]
。因
此,在衍射光学系统中,像面的实际光强为
Ii(xi,yi;λ)=a∬Ig(xo,yo;λ)h(xi−xo,yi−yo;λ)dxodyoIi(xi,yi;λ)=a∬Ig(xo,yo;λ)h(xi-xo,yi-
yo;λ)dxodyo,(1)
式中:aa 是实常数;IgIg 是几何光学理想像的强度分布;(xo,yo)(xo,yo)和(xi,yi)(xi,yi)分
别为物面和像面坐标;h 是系统的光强脉冲响应(或 PSF),它是点物产生的衍射斑的强
度分布,可进一步写为
h(xi,yi;λ)=|g(xi,yi;λ)|2,h(xi,yi;λ)=g(xi,yi;λ)2,(2)
式中:gg 是系统 PSF 的复振幅分布。
根据标量衍射理论
[12]
,在傍轴近似的条件下,系统的脉冲响应的复振幅分布可近似为
g(xi,yi;λ)=1jλzexp(jkz)exp[jk2z(x2i+y2i)]×g(xi,yi;λ)=1jλzexp(jkz)expjk2z(xi2+yi2)×∬U(
xo,yo;λ)exp[−j2πλz(xixo+yiyo)]dxodyo∬U(xo,yo;λ)exp-j2πλz(xixo+yiyo)dxodyo,(3)
式中:zz 为衍射元件到像平面的距离;k 为波数;U(xo,yo;λ)U(xo,yo;λ)为系统脉冲输入下
在物方衍射面处的复振幅分布,它通常可写为
U(xo,yo;λ)=P(xo,yo)exp[jφ(xo,yo;λ)]U(xo,yo;λ)=P(xo,yo)expjφ(xo,yo;λ),(4)
式中:P(xo,yo)P(xo,yo)为衍射孔的孔径函数;φ(xo,yo;λ)φ(xo,yo;λ)为衍射平面上由光学
元件带来的各点的相位延迟。在只考虑衍射复振幅的相对分布时,常数因子
1jλzexp(jkz)1jλzexp(jkz)可忽略不计,二次相位因子 exp[jk2z(x2i+y2i)]expjk2z(xi2+yi2)
也会在求衍射强度分布时自动消去。在本文中,相位函数 φ(xo,yo;λ)φ(xo,yo;λ)将作为该
衍射元件的优化目标,实现需要的相位调制效果。于是,有
bc(x,y)=∫∫∞−∞∫ΛQc(λ)Ig(ξ,η;λ)×bc(x,y)=∫∫-
∞∞∫ΛQc(λ)Ig(ξ,η;λ)×h(x−ξ,y−η;λ)dλdξdηh(x-ξ,y-η;λ)dλdξdη,(5)
式中:bc(x,y)bc(x,y)为传感器通道 c 上接收的图像;Qc(λ)Qc(λ)为传感器通道 c 的光谱响
应权重;ΛΛ 为传感器通道 c 的光谱范围;(ξ,ηξ,η)为物面坐标。
对于具有强烈色散特性的传统衍射元件来说,其 PSF 对波长表现出高度依赖性,即使在单
个颜色通道内,不同波长处的 PSF 也具有较大差异。由于这种依赖性,在式(5)的积分
过程中,PSF 很难与波长分离,而现行的基于去卷积模型的图像复原算法常忽略这点,将
某一波段或某通道的模糊核近似为一个固定的 PSF。对于大色差的衍射系统而言,这一近
似会使得复原图像高频信息丢失,引起彩边现象,并且不可避免地丢失色彩保真度。
为了避免 PSF 近似所带来的负面效果,本文在消色差微结构衍射元件的设计中,允许残余
像差存在,同时对整个光谱上的波长进行密集采样,对所有采样波长的光线进行相位调
制。由于自然光谱 PSF 存在连续性,只需控制各采样波长上 PSF 的一致性,便可在整个
可见光谱上实现均匀统一的 PSF。这一方法不仅可以在整个可见光谱范围实现消色差,并
且可以使近似 h(x,y;λ)≈hc(x,y)h(x,y;λ)≈hc(x,y)重新有效,以更好地促进基于去卷积模型
的图像复原算法。此时,有
bc(x,y)=∫∞−∞∫∞−∞hc(x−ξ,y−η)∫δQc(λ)Ig(ξ,η;λ)dλdξdη=hc(x,y)⊗Ic(ξ,η)bc(x,y)=∫-
∞∞∫-∞∞hc(x-ξ,y-η)∫δQc(λ)Ig(ξ,η;λ)dλdξdη=hc(x,y)⊗Ic(ξ,η),(6)
剩余11页未读,继续阅读
资源评论
罗伯特之技术屋
- 粉丝: 3576
- 资源: 1万+
下载权益
C知道特权
VIP文章
课程特权
开通VIP
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功