Bài viết Nâng cao chất lượng ảnh của hệ thống mã hóa mặt sóng với mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm đề xuất một giải pháp bằng cách thêm mặt nạ biên độ vào hệ thống mã hóa mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm cho nâng cao chất lượng ảnh. Một mặt nạ biên độ có khả năng tăng độ tương phản ảnh ở tần số thấp mà tương ứng với vùng tần số của mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm được thêm vào hệ thống nhằm nâng cao giá trị hàm truyền điều biến (MTF).
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH CỦA HỆ THỐNG MÃ HÓA MẶT SÓNG VỚI MẶT NẠ PHA ĐỐI XỨNG XUYÊN TÂM IMAGE-QUANLITY IMPROVRMRNT OF WAVEFRONT CODING SYSTEM WITH RADDIALLY SYMMETRIC PHASE MASK 1Lê Văn Nhu, 2Trần Trọng Thắng 1Học Viện Kỹ thuật Quân Sự 2Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 09/06/2022, Ngày chấp nhận đăng: 12/08/2022, Phản biện: PGS TS Nguyễn Hữu Quỳnh Tóm tắt: Trong báo này, chúng tơi đề xuất giải pháp cách thêm mặt nạ biên độ vào hệ thống mã hóa mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm cho nâng cao chất lượng ảnh Một mặt nạ biên độ có khả tăng độ tương phản ảnh tần số thấp mà tương ứng với vùng tần số mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm thêm vào hệ thống nhằm nâng cao giá trị hàm truyền điều biến (MTF) Kết mô cho chứng minh hiệu phương pháp đề xuất đánh giá hàm MTF mô ảnh đưa đến Các kết phương pháp đề xuất cải thiện chất lượng tạo ảnh hệ thống mã hóa mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm Từ khóa: Mã hóa mặt sóng; Mặt nạ pha, Hàm truyền điều biến Abstract: In this paper, we introduce additionally an amplitude mask into optical system with radially symmetric phase mask to enhance image-quanlity An amplitude mask can improve low frequency region which is suitable with frequency region of optical system with radially symmetric phase mask is added to improve modulation transfer function (MTF) Simulation results show the efectiveness of proposed method by evaluated based on the MTF and simulation images Results demonstrated that the proposed method can be used to improve image-quanlity of optical system with radially symmetric phase mask Keywords: Wavefront Coding; Phase Mask; Modulation Transfer Function GIỚI THIỆU CHUNG Hệ thống quang học thiết bị quan trọng dùng để quan sát thu nhận hình ảnh Với hệ thống tạo ảnh có độ số 102 (NA) xác định, độ sâu trường độ phân giải ngang hai thông số quan trọng, phản ánh chất lượng khả quan sát vật thiết bị [1] Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong độ sâu trường xác định khoảng khơng gian dọc trục cho hình ảnh sắc nét độ phân giải ngang lại đại diện cho khoảng cách nhỏ hai điểm vật mà người quan sát phân biệt Tuy nhiên, hệ thống quang học truyền thống chịu đánh đổi độ phân giải ngang độ sâu trường độ phân giải ngang mong muốn cao độ sâu trường hẹp Với bước sóng ánh sáng độ số NA, độ sâu trường 0.5/NA2 độ phân giải ngang 0,6/NA [2] Độ sâu trường mở rộng khả thu nhận nhiều thông tin vật ba chiều không gian vật tốt Do vậy, mở rộng độ sâu trường toán nhiều nhà khoa học giới tập trung giải Công nghệ mã hóa mặt sóng cơng nghệ mạnh sử dụng cho mở rộng độ sâu trường Ở công nghệ mã hố mặt sóng, mặt nạ pha giới thiệu vào hệ thống quang học truyền thống đưa đến hàm nhòe điểm (PSF) MTF bất biến độ sâu trường lớn Mặt nạ pha chia làm hai loại bao gồm mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm mặt nạ pha bất đối xứng [3] Đối với mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm, ảnh chấp nhận mà khơng cần qua trình xử lý ảnh [4] Hơn nữa, trình xử lý ảnh sử dụng để cải thiện chất lượng ảnh tốt tạp chất (image artifacts) không xuất ảnh [4] Trong mặt nạ pha bất đối xứng yêu cầu trình xử lý ảnh cho khôi phục ảnh sắc nét Tuy nhiên, tạp chất xuất Số 29 ảnh khôi phục [4] Mặt nạ pha bất đối xứng có khả mở rộng độ sâu trường tốt mặt nạ pha đối xứng Mặt nạ pha bất đối xứng mặt nạ bậc ba [5], mặt nạ sin [6], mặt nạ logarit [7], mặt nạ tan [8] Nhiều mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm giới thiệu cho mở rộng độ sâu trường hệ thống tạo ảnh quang học mặt nạ pha bình phương [9], mặt nạ pha logarit [9], mặt nạ pha hình khuyên [4], mặt nạ pha tan [14] vân vân [1113] Trong đó, mặt nạ pha logarit, mặt nạ pha tan, mặt nạ pha hình khuyên kiểu mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm mà đưa đến hàm MTF ổn định tốt cho thay đổi độ sâu trường Ở mặt nạ pha này, vùng tần số thấp lớn không (thông thường nhỏ 0.5), vùng tần số cao gần không (thường lớn 0.5) Tuy nhiên, giá trị hàm MTF vùng tần số thấp thấp so với giá trị hàm MTF tiêu điểm hệ thống quang học truyền thống Do vậy, độ tương phản ảnh không cao Trong báo này, giới thiệu thêm mặt nạ biên độ vào hệ thống mã hóa mặt sóng mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm cho nâng cao giá trị hàm MTF vùng tần số thấp độ tương phản ảnh cải thiện 103 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐẶC TÍNH TẠO ẢNH MẶT NẠ BIÊN ĐỘ VÀ MẶT NẠ PHA ĐỐI XỨNG TAN 2.1 Đặc tính tạo ảnh mặt nạ biên độ Cặp tham số a b sử dụng điều khiển phân bố cường độ mặt phẳng đồng tử Hàm đồng tử biễu diễn theo hàm biên độ, Q(x,y), hàm pha, f(x,y), mơ tả bằng: 2 2 Q( x, y)exp(i f ( x, y) ( x y )) if x +y P( x, y) other 0 (1) đây, x y tọa độ quy chuẩn mặt phẳng đồng tử Hàm f có đơn vị radian Độ lệch tiêu tương ứng độ sâu trường biểu diễn theo công thức sau: L2 1 4 f d0 di (2) đó, bước sóng ánh sáng; L đường kính đồng tử; d0 di khoảng cách vật ảnh Hàm nhoè điểm nhận biến đổi Fourier hàm đồng tử biểu diễn cơng thức : h FFT ( p( x, y ) (3) Ảnh nhận hệ thống quang học g oh (4) o vật, toán tử tích chập Trong phần này, sử dụng hàm biên độ đề xuất báo [10] để nghiên cứu Hàm mặt nạ biên độ có dạng tốn học công thức sau: exp((a x y ) / b ) if x +y Q( x, y) other 0 (5) 104 Hình Hàm MTF cho hệ thống quang học truyền thống với mặt nạ biên độ Xét cặp số a = b = 0.8 Hàm MTF hệ thống quang học truyền thống mặt nạ biên độ Hình Từ Hình thấy rằng, giá trị hàm MTF mặt nạ biên độ tần số thấp cao giá trị hàm MTF hệ thống quang học truyền thống, giá trị hàm MTF mặt nạ biên độ vùng tần số cao thấp giá trị hàm MTF hệ thống quang học truyền thống Điều nghĩa rằng, ảnh mặt nạ biên độ vùng tần số thấp có độ tương phản tốt ảnh hệ thống quang học truyền thống Trong khi, ảnh mặt nạ biên độ vùng tần số cao có độ tương phản thấp ảnh hệ thống quang học truyền thống 2.2 Đặc tính tạo ảnh mặt nạ pha đối xứng tan Ở báo [10] đề xuất giải pháp mở rộng độ sâu trường cách sử dụng mặt Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) nạ pha đối xứng dạng tan Ở báo này, sử dụng mặt nạ pha tan để nghiên cứu cho đề xuất Mặt nạ pha có hàm tốn học là: tần số vùng thu nhận thông tin rõ nét 2m 1 m a( x y )2 tan x y if 2n 4n f x, y, a( x y )2 tan x y if 2m 1 m 1 4n 2n (3) đây, góc khoảng từ đến 2 ; n số tự nhiên ; m số tự nhiên khoảng từ đến 2n-1 Tham số tối ưu mặt nạ pha a = 31.85 báo [10] Đơn vị a radian Hàm MTF cho hệ thống quang học truyền thống mặt nạ pha dạng tan Hình với tham số độ lệch tiêu khác nhau, khoảng độ lệch tiêu lấy theo báo [10] Như hình (a) hàm MTF hệ thống quang học truyền thống nhạy với biến đổi độ lệch tiêu Khi giá trị tham số độ lệch tiêu lớn hàm MTF thấp tần số cắt nhỏ (tần số cắt định nghĩa giá trị tần số mà giá trị hàm MTF không) Do vậy, chất lượng ảnh suy giảm nhanh thay đổi độ lệch tiêu Trong khi, hàm MTF mặt nạ tan gần ổn định với độ lệch tiêu Tuy nhiên, giá trị hàm MTF hàm pha tan thấp so với giá trị hàm MTF nhiễu xạ hệ thống quang học truyền thống (tại giá trị = Từ Hình 2b thấy giá trị Phân bố tần số không gian (a) Phân bố tần số không gian (b) Hình Hàm MTF cho hệ thống quang học truyền thống mặt nạ pha dạng tan cho giá trị độ lệch tiêu khác ( =0; 5; 10) tần số cắt hàm MTF mặt nạ pha tan gần nhỏ 0.5 có vật có Số 29 105 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) KẾT HỢP MẶT NẠ PHA TAN VÀ MẶT NẠ BIÊN ĐỘ Như trình bày mục 2, mặt nạ biên độ (a = b = 0.8) đưa đến chất lượng ảnh tốt vùng tần số thấp so với hệ thống quang học truyền thống Trong khi, mặt nạ pha tan vùng tần số thấp cho nhận ảnh rõ nét Trong báo này, đề xuất ý tưởng cho kết hợp mặt nạ biên độ mà nâng cao độ tương phản vùng tần số thấp vào mặt nạ pha hàm tan cho cải thiện độ tương phản ảnh Hay nói cách khác giá trị hàm MTF nâng cao lên vùng tần số thấp Khi giá trị MTF cải thiện cao độ tương phản ảnh nhận tốt Hiệu phương pháp đề xuất chứng minh đánh giá hàm MTF ảnh mô Trên sở tham số nhận trên, hàm MTF mặt nạ pha tan phương pháp đề xuất Hình Hình 3(a) hàm MTF mặt nạ pha tan phương pháp đề xuất giá trị = Hình 3(b) hàm MTF mặt nạ pha tan phương pháp đề xuất giá trị = Hình 3(c) hàm MTF mặt nạ pha tan phương pháp đề xuất giá trị = 10 Từ Hình 3, khơng khó khăn nhìn thấy giá trị hàm MTF phương pháp đề xuất cao giá trị MTF mặt nạ pha tan Tuy nhiên, tần số cắt hàm MTF hai phương pháp gần trùng Điều nghĩa phương pháp đề xuất sử dụng cho cải thiện chất lượng ảnh hệ thống mã hóa đối xứng xuyên tâm 106 (a) (b) (c) Hình Hàm MTF cho mặt nạ pha tan (gốc) phương pháp đề xuất Giá trị độ lệch tiêu =0; 5; 10 Một ảnh mẫu dạng cánh quạt sử dụng cho mơ ảnh Hình Ảnh mơ cho mặt nạ tan phương pháp đề xuất Hình Nhìn cách rõ ràng ảnh mặt nạ pha tan phương pháp đề xuất gần bất biến Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) với độ sâu trường Tuy nhiên, độ tương phản ảnh phương pháp đề xuất tốt mặt nạ pha tan gốc Điều có nghĩa phương pháp đề xuất sử dụng để nâng cao chất lượng ảnh Hình Ảnh gốc dạng cánh quạt (a) = (a1) (b) = (b1) (c) = 10 (c1) Hình Ảnh mơ cho mặt nạ pha tan (bên trên) phương pháp đề xuất (bên dưới) Giá trị độ lệch tiêu =0; 5; 10 Số 29 107 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất phương pháp thêm mặt nạ biên độ vào hệ thống quang học mã hóa mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm cho cải thiện chất lượng ảnh Một mặt nạ biên độ nghiên cứu với mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm dạng tan cho nâng cao độ tương phản ảnh Bằng cách kết hợp mặt nạ biên độ với mặt nạ pha tan hàm MTF tần số thấp nâng lên gần với hàm MTF nhiễu xạ hệ thống quang học truyền thống Các kết mô với hàm MTF ảnh mô Kết phương pháp đề xuất cho phép nâng cao độ tương phản ảnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yongzhuang Zhou, Michael Handley, Guillem Carles, and Andrew R Harvey, “Advances in 3D single particle localization microscopy”, APL Photonics, 4, 060901, 2019 [2] José-Angel Conchell & Jeff W Lichtman, “Optical sectioning microscopy”, NATURE METHODS, VOL.2 NO.12, pp 920, 2005 [3] Shouqian Chen, Van Nhu Le, Zhigang Fan, and Hong Cam Tran, “Extended depth-of-field imaging through radially symmetrical conjugate phase masks”, Optical Engineering 54(11), 115103, 2015 [4] Xutao Mo, “Optimized annular phase masks to extend depth of field’’, OPTICS LETTERS, 37(11), 2012 [5] E R Dowski, Jr and W T Cathey, “Extended depth of field through wave-front coding,” Appl Opt 34, 1859–1866 (1995) [6] H Zhao and Y Li, “Optimized sinusoidal phase mask to extend the depth of field of an incoherent imaging system,” Opt Lett 35, 267–669 (2010) [7] H Zhao and Y Li, “Optimized logarithmic phase masks used to generate defocus invariant modulation transfer function for wavefront coding system,” Opt Lett 35, 2630–2632 (2010) [8] V Le, S Chen, and Z Fan, “Optimized asymmetrical tangent phase mask to obtain defocus invariant modulation transfer function in incoherent imaging system,” Opt Lett 39, 2171–2174 (2014) [9] S Mezouari and A R Harvey, “Phase pupil functions for reduction of defocus and spherical aberrations”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Opt Lett 28, 771, 2003 [10] Huucuong Thieu, Vannhu Le, Dinhbao Bui, Minhnghia Pham, Vanbang Le, Vanduan Pham, “Radially Symmetric-Tangent Phase Mask to Obtain Invariant Imaging System to Defocus”, International Conference on System Science and Engineering (ICSSE), 2019 [11] J Sochacki et al, “Phase retardation of uniform-intensity axilens”, Opt Lett 17, 7–9, 1992 [12] D Zalvidea and E E Sicre, “Phase pupil functions for focal depth enhancement derived from a Wigner distribution function”, Appl Opt 37, 3623–3627, 1998 [13] W Chi and N George, “Electric imaging using a logarithmic asphere”, Opt Lett 26, 875–877, 2001 [14] Irene Estévez, Juan C Escalera, Quimey Pears Stefano, Claudio Iemmi, Silvia Ledesma, María J Yzuel, Juan Campos, “Image enhancement by spatial frequency post-processing of images obtained with pupil filter”, Optics Communications, 380, 21–27, 2016 108 Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Giới thiệu tác giả: Tác giả Lê Văn Nhu tốt nghiệp đại học Học viện Kỹ thuật Quân vào năm 2007 Năm 2012 2016 nhận thạc sỹ Tiến sĩ Đại học Công nghiệp Cáp Nhĩ Tân, Trung Quốc Năm 2016 đến năm 2018 nghiên cứu sau Tiến sĩ Đại học Chiết Giang, Trung Quốc Hiện tác giả công tác Học viện Kỹ thuật Quân Hướng nghiên cứu chính: Kỹ thuật mã hóa mặt sóng, thiết kế hệ thống quang học, xử lý ảnh y tế, nâng cao chất lượng ảnh Tác giả Trần Trọng Thắng tốt nghiệp đại học Bách khoa Hà Nội năm 2006 Năm 2009 nhận thạc sĩ Học Viện Kỹ thuật Quân Hiện công tác Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Điện Lực Hướng nghiên cứu : Xử lý ảnh y tế, nâng cao chất lượng ảnh, hệ thống giám sát từ xa, ứng dụng IOT Số 29 109 ... trường lớn Mặt nạ pha chia làm hai loại bao gồm mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm mặt nạ pha bất đối xứng [3] Đối với mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm, ảnh chấp nhận mà khơng cần qua q trình xử lý ảnh [4]... Số 29 ảnh khôi phục [4] Mặt nạ pha bất đối xứng có khả mở rộng độ sâu trường tốt mặt nạ pha đối xứng Mặt nạ pha bất đối xứng mặt nạ bậc ba [5], mặt nạ sin [6], mặt nạ logarit [7], mặt nạ tan... Nhiều mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm giới thiệu cho mở rộng độ sâu trường hệ thống tạo ảnh quang học mặt nạ pha bình phương [9], mặt nạ pha logarit [9], mặt nạ pha hình khuyên [4], mặt nạ pha tan