基于优化混合OTF的功率平衡混合光学增强消色差扩展景深成像设计

功率平衡混合光学成像系统是一种特殊的衍射计算相机设计，本文提出由折射透镜和多级相位掩模（MPM）形成图像。由于 MPM，该系统提供长焦深和低色差，并且由于折射透镜而具有高能量光集中度。我们引入了透镜与 MPM 之间光学功率平衡的概念，以控制各元件对入射光调制的贡献。我们 MPM 设计的额外独特之处包括使用平滑函数对 MPM 形状按级数（厚度）和菲涅耳阶数进行量化。为优化光学功率平衡及 MPM，我们利用神经网络技术为所提相机构建全可微图像形成模型，以联合优化光学与成像参数。此外，我们优化单一对深度不变的维纳类光学传递函数（OTF）以重建清晰图像。我们在数值与实验上将该系统与无透镜及仅透镜光学系统进行比较，可见光波段为 (400-700)nm，景深范围为（数值 0.5-$\infty$m，实验 0.5-2m）。所得结果表明，配备最优 OTF 的所提系统在离焦距离处的重建质量优于其对应系统（即使它们使用优化 OTF）。仿真结果还显示，优化光学功率平衡、菲涅耳阶数和级数参数对系统性能至关重要，相较于无透镜对应设置，使用优化 OTF 可获得高达 5dB 的 PSNR 提升。