【摘 要】
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衍射光学元件（Diffractive Optical Elements,DOE）质量轻、设计灵活,非常契合集成化或轻量化的应用需求。但是DOE具有严重的色散特性,在偏离其设计波长时会给图像带来大尺寸的色散模糊,因此难以应用在宽波段成像系统上。针对DOE波段窄的缺陷,本文通过引入计算成像技术,将光学设计与图像算法进行联合设计,实现了单片衍射元件在415nm～685nm的可见光波段下的清晰成像。在光学
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
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衍射光学元件（Diffractive Optical Elements,DOE）质量轻、设计灵活,非常契合集成化或轻量化的应用需求。但是DOE具有严重的色散特性,在偏离其设计波长时会给图像带来大尺寸的色散模糊,因此难以应用在宽波段成像系统上。针对DOE波段窄的缺陷,本文通过引入计算成像技术,将光学设计与图像算法进行联合设计,实现了单片衍射元件在415nm～685nm的可见光波段下的清晰成像。在光学设计上,构建了点扩散函数模型（Point Spread Function,PSF）,对衍射元件的结构进行编码和数值优化,以获得目标PSF。在图像复原算法中,借鉴了图像金字塔的思想,在多个尺度上对图像进行复原。仿真显示,传统的位相菲涅尔衍射透镜在415nm～685nm成像时,其平均MTF在0.1时的频率仅有2.6lp/mm,而本文的衍射计算成像方法在相同条件下可达到113.3lp/mm。本文的结果证明,基于计算成像的衍射成像技术可以在保持轻薄的物理结构的同时,获得宽波段消色差的清晰成像效果。本文的主要研究内容为:（1）对衍射计算成像光场传输理论、衍射元件相位调控原理,衍射图像退化模型进行了分析和探讨,分析了其产生色散的原因和图像复原的难点,由此确定光学端和计算端的设计目标;列举介绍了一些典型的复原算法,讨论了本文的像质评价方法。（2）研究了衍射元件的消色差方法,构建了以PSF为导向的衍射元件优化模型,通过衍射元件微结构高度编码调控光场相位,引入了基于粒子群优化的数值优化方法,使衍射元件的光谱PSF保持一致性,从而实现消色差的目的。通过优化计算,编码优化消色差衍射透镜的MTF的可分辨频率由传统透镜的2.6lp/mm上升到8.6lp/mm。利用离子束刻蚀的方法,加工了8mm、20mm、40mm编码优化消色差衍射透镜,对8mm口径的编码优化消色差衍射透镜进行实际的星点目标、分辨率靶成像测试,探讨了口径与成像清晰度的关系。进行了色彩保真度测试,验证了其消色差性能。（3）针对所设计的编码优化消色差衍射透镜的成像特点,研究了相适应的图像复原算法。编码优化消色差衍射透镜成像的模糊核尺寸大,易引入伪影和噪声,对此本文参考了多尺度去卷积复原的方法,提出了跨尺度先验去卷积复原的方法,先下采样到低尺度上进行去噪去模糊,再上采样回原尺寸作为引导图像进行复原,逐步恢复图像细节。对跨尺度先验算法性能做了对比测试,说明了其有效性。结合编码优化消色差衍射透镜进行计算成像,并对图像质量进行了定量评价,结果高于传统衍射元件的成像质量。最后对消色差衍射透镜计算成像过程进行了实验分析,说明了本文方法的有效性。
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