中文摘要：

光数混合成像技术是一种新型的成像技术，通过将光学设计和图像复原技术结合起来，成像系统可以突破景深与分辨率之间的限制，同时兼顾大景深和高分辨的优点。然而，现有的光数混合成像系统其性能还未达到最优，主要表现在以下几个方面（1）关键元件- - 相位掩模板的设计方法不够通用；（2）对相位板参数进行优化的时候没有从图像复原的角度考虑系统整体最优；（3）通常只关注系统调制传递函数，并使之离焦不变，而忽略了系统相位传递函数对图像复原质量的影响；（4）除了离焦之外，其它因素，如各种像差也会导致成像质量的下降，因此应该拓展光数混合成像技术的内涵，寻求对系统退化波像差，而不仅仅是对单一因素不敏感的相位掩模板。本项目就针对以上存在于现有光数混合成像系统研究中的问题，从理论分析和实验验证两个方面开展相关研究，以实现最优光数混合成像。

结论摘要：

以波前编码大景深成像技术为代表的光数混合成像技术经过近20年的发展，理论研究和试验研究成果斐然。然而，当涉及到实际应用时，该技术还存在进一步优化和提升的空间。本项目就是瞄准该领域现有研究中尚未完全解决的问题开展相关的研究工作，并且在与其他领域的结合研究中创造性地提出了解决特定问题的方法，通过深入的挖掘和分析，反过来又进一步丰富了光数混合成像技术的内涵。第一，理论分析表明，经典优化框架存在根源上的缺陷，导致相位传递函数的离焦稳定性远逊于调制传递函数，从而引起复原图像品质的劣化；因此，本项目在“编码域”和“复原域”分别提出了两种新的优化框架，使光数混合成像系统的调制传递函数和相位传递函数均能达到较好的离焦稳定性。第二，模糊度函数这个概念源自于雷达领域，引入光学领域后通常用于在由“空间频率-等效离焦参量”构建的高维空间中显示与特定孔径分布（相位分布）对应的离焦传递函数。实际上，反向应用模糊度函数的计算过程能够创造一种类似盲目迭代反卷积的流程，仅利用有限离焦位置处的传递函数就能够通过反演逐渐逼近与之对应孔径或相位分布，是一种强大的相位掩膜板的设计工具。第三，在传统的波前编码成像系统中，相位掩膜板的面形（相位调制强度）在设计完成之后就无法改变，其对特定离焦尺度的抑制效果固定；考虑到实际所需要的景深拓展量可能发生变化，本项目利用可拆分重组相位掩膜板构建了可调谐式波前编码系统，除了能够根据不同景深拓展尺度的需要改变相位调制强度以外，还能够改变系统的有效带宽，起到光学滤波的效果，可应用于光学信息隐藏。第四，位相差异波前传感是一种基于图像处理的高精度波前反演技术，利用同一场景具有已知离焦位相差异的两幅图像就能够获得波前畸变泽尼克系数。然而，该技术适用的最优离焦强度通常小于1个波长，而且只适合于波前畸变尺度较小的情况，应对环境干扰的能力较弱。光数混合成像技术利用相位掩膜能够扩大系统有效焦深，同时抑制与离焦有关的像差，所以位相差异波前反演理论与其结合后，不但极大地增加了最优离焦强度，同时也可以使其适用于大尺度波前畸变。第五，相位掩膜编码必须应用于一个具体的光学系统才有意义。发展至今，以理想光学系统为平台纯粹进行相位掩膜板特性的研究已不合适。因此在本项目中，以CodeV自带的宏语言作为媒介，开发了可以适用于任何一个波前编码系统的联合优化框架，是光数混合成像技术进一步实用化的保证。