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《光学学报》2022年第14期封面故事:计算成像新应用,光学传递函数测量新方法

已有 2052 次阅读 2022-9-16 14:10 |系统分类:论文交流

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封面解读

图中展示了结合傅里叶叠层成像实现光学传递函数测量的原理。右上角的光纤在空域的平移,对应中间的待测镜头的光瞳函数在频域的平移。光纤每移动一次,采集一幅分辨率板经过待测透镜所成的低清晰度图像。将图像数据带入迭代重建算法,得出了调制传递函数(MTF)的三维形貌,抽取两个互相垂直的方向的结果就是传统的子午、弧矢方向MTF曲线。低清晰度图像阵列与MTF结果之间的数字表示了根据算法求解最终结果的计算过程。

《光学学报》2022年第14期封面文章 | 浦东; 何小亮; 戈亚萍; 刘诚; 朱健强;基于宏观傅里叶叠层成像技术的光学传递函数测量研究[J].光学学报, 2022, 42 (14):1412003.

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导读

通过相机整体平移进行孔径扫描来实现宏观傅里叶叠层成像的方法难以适用于光学传递函数(OTF)测量光路,中国科学院上海光学精密机械研究所朱健强研究员课题组提出了电控平移台带动照明光纤运动来实现光瞳在频域的平移,具有移动间距可调、亮度高和相干性好的优点。根据OTF测量光路搭建了实验平台,对双胶合透镜及其存在遮拦的情况下进行了测量,重建其光瞳函数,计算出Zernike像差系数和OTF。

研究背景


1946年,法国人Duffieux用傅立叶分析光学传递函数(OTF)来处理光学系统成像问题。现在,作为镜头成像质量评价指标, OTF被广泛应用于各类镜头的成像质量检测评价中。其振幅部分为调制传递函数(MTF),其相位部分为相位传递函数(PTF)。

对于存在慧差等奇数阶像差的镜头,PTF中存在非线性部分,对于这类像差的敏感性大于MTF,且具有MTF不具备的方向性。目前主流的测量方法有倾斜刃边法和狭缝法,只能准确地获取单一方向上的MTF且无法测量Zernike像差系数,忽略了PTF的测量。测量单一孔径方向上的一维OTF只适用于完全旋转对称光学系统,对于存在遮拦或者装调失配的光学系统,OTF并不完全旋转对称,所以现有光学传递函数的测量结果是不全面的。

傅里叶叠层显微成像(FPM)是计算光学中极具潜力的技术之一,可以重建光瞳函数的复振幅,从而实现OTF的测量,然而现有的宏观傅里叶叠层成像方法并不适用OTF测量光路。

测量方法

傅里叶叠层成像技术是利用计算成像方式结合合成孔径思想,通过将有限孔径大小的光瞳与物体频谱产生相对移动,记录对应位置处的图像,从而采集到物体频谱中不同位置的子频谱信息,最后利用计算成像的算法恢复出高分辨率的物体的复振幅信息。在显微成像中,为了提升成像清晰度,傅里叶叠层成像技术结合ePIE算法在更新物体的频谱的同时更新显微物镜的广义光瞳函数,无需先验知识就可以把显微物镜的像差同步迭代计算出来。在此基础上,将其应用于宏观成像中,通过重建的光瞳函数计算出OTF,提出了如图1所示的测量方法。
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图1 基于宏观傅里叶成像的光学传递函数测量计算过程示意图
以往通过相机整体平移进行孔径扫描来实现宏观傅里叶叠层成像的方法难以适用于OTF测量光路,因此提出了电控平移台带动照明光纤运动来实现光瞳在频域的平移,具有移动间距可调、亮度高和相干性好的优点,实验光路示意图如图2所示。
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图2 基于宏观傅里叶成像的光学传递函数测量原理图
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图3 实验数据与测量结果。(a) 存在遮拦的镜头的;(b) 实验采集到的其中3×3幅的图像;(c) 重建的高分辨率图像;(d) 恢复的光瞳函数的振幅;(e) 恢复的光瞳函数的相位;(f) 调制传递函数

       对一个存在遮拦的镜头的测量结果如图3所示,光瞳函数的振幅上的断口与遮拦形貌一致。虽然宏观傅里叶叠层成像方法可以重建高分辨率图像,但基于该方法的主要目的是测量光学传递函数而非重建高分辨率图像,也就不必追求物体频谱中高频部分的采集,所以光瞳函数在频域上的最大平移量不需要过高。

      光瞳函数在频域上的最大平移量由采集步数和步长决定,步长也就是孔径重叠率。因此通过实验设定不同的孔径重叠率和采集步数,即孔径重叠率分别为74.4%、65.5%和56.7%以及分别按照采集3×3、5×5、7×7、9×9、11×11、13×13、15×15张图像,分析了其对35 mm工业成像镜头的光学传递函数测量准确性的影响。测量结果如图4所示,综合比对,移动步长3 mm即孔径重叠率74.4%,采集7×7张图像时的结果最准确,与现有仪器结果对比MTF均方误差,弧矢方向为1.75×10-5,子午方向为1.23×10-4

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图4 不同重叠率下的MTF测量结果。(a) 移动间距为3 mm时的MTF;(b) 移动间距为4 mm时的MTF;(c) 移动间距为5 mm时的MTF

展望

      傅里叶叠层显微成像技术自2013年被提出以来,在理论、模型、系统等方面不断完善和发展,出现了多模态FPM、自适应步长FPM、全视场FPM、基于人工智能的FPM等改进和优化版本。本文的研究工作是其在宏观的应用和推广,为光学传递函数的测量提供了新的思路和方法,如果再结合上述的改进和优化,该技术在镜头成像质量检测中将展现出优异的应用潜力。




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