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本科毕业设计（论文）开题报告题目_可变焦波前编码成像方法研究——波前编码技术在红外镜头的应用专业___测控技术与仪器_____姓名______马飞龙_____学号____1120122865_______班级____04111202_______指导教师_____董立泉______学院____光电学院_____2016年3月27日一、题目背景、研究现状和研究意义（选题背景、国内外研究现状、研究意义。）（宋体，小四，行间距22磅）选题背景光学系统的口径、光阑、焦距等参数决定了该系统的景深或者焦深。大景深或者大焦深可以更多的获得物空间的相关信息或者抑制离焦带来的像质下降的问题。从上世纪初开始，人们就开始研究能够扩展系统景深或者焦深的技术。1995年，Colorado大学的Dowski和Cathy等人首次提出波前编码技术，该技术简单易用，极大地扩展了系统景深或者焦深。从此，波前编码技术得到迅速发展，国内外学者对其进行了一系列系统的研究，并应用到各领域以及各种光学系统中。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，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。EdwardR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，φ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，α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20μm，波长取10μm。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]。GonzaloMuyo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33,xyxy，其中α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，3322,2xyxyxyxy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）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20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。GonzaloMuyo和AmritpalSingh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]。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[10]=-3，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。KennethS.Kubala，VladV.Chumachenko，AlanE.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，相关镜头参数为：F/#为1.3，视场角15°，光谱范围8-12μm，透镜材料为锗，FPA阵列采用像素为25μm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）