CN104007559B - 含局部超分辨扫描的小凹成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含局部超分辨扫描的小凹成像系统，属于光学成像技术领域。本发明首先通过大视场光学系统进行成像，出射光瞳通过一偏振分光棱镜分为两束，其中一束直接成像在探测器上，另一束成像在中间像面上，二维扫描平台带动超分辨系统对该中间像进行局部扫描超分辨成像。其中，超分辨系统采用液晶空间光调制器作为超分辨光瞳滤波器，可以对光束进行动态、像素化的位相调制。本发明结构简单，可实现大视场低分辨率、局部小视场超分辨率成像，且应用本发明中的方法可以对现有的光学系统进行改造，实现局部超分辨成像。

Description

含局部超分辨扫描的小凹成像系统
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，涉及一种含局部超分辨扫描的小凹成像系统，可广泛应用于侦查、救援等领域。
背景技术
研究发现，人眼在黄斑中心凹处具有最佳的视觉分辨率，但这个范围只有5°，周边分辨率呈指数衰减，故虽然人眼的有效视场可达135°～160°，但良好视区只有大约30°。小凹成像技术模拟了人眼的这种特性，通过光学系统或图像处理软件获得空间分辨率变化的图像——对感兴趣的区域(ROI，Region of Interest)高分辨率成像，对ROI周边区域则可低分辨率成像。小凹成像系统(FOS)的优点如下：
(1)能在保证目标区域清晰成像的同时，获得大视场的图像；
(2)作为一种数据压缩技术，通过降低目标区域(ROI)外的分辨率，提高了图像传输、处理的速度。
本发明在这一技术概念的基础上进一步发展研究，实现ROI超分辨率成像、ROI周边区域低分辨率成像。所谓超分辨是指通过一定技术手段使光学系统超越衍射极限，产生比爱里斑更小的衍射光斑，从而提高空间两点分辨率。1952年T.D.Francia首次提出有限视场超衍射极限分辨率的概念之后，科学家们认识到在相干光学系统中，通过改变出瞳函数的复振幅分布能够实现超分辨。设光瞳滤波器的复振幅透过率为P(ρ)，则归一化的焦平面上焦点附近的复振幅分布为：
超分辨光瞳滤波器的评价指标主要有三个：
(1)超分辨因子(G)：表示超分辨点扩散函数(PSF)的主瓣尺寸与衍射极限PSF的主瓣尺寸之比；
(2)斯特列尔比(S)：表示超分辨PSF的主瓣强度与衍射极限PSF的主瓣强度之比；
(3)旁瓣强度比(M)：等于超分辨PSF沿焦面的最高旁瓣强度除以中心强度。
本发明独创性地应用扫描中间像的方法将小凹成像技术与超分辨光瞳滤波技术相结合，进一步提高局部区域分辨率的同时，将超分辨光瞳滤波技术拓展到新的应用领域中。
发明内容
本发明的目的在于克服光学成像系统中视场和分辨率间的矛盾，使系统能够对大视场景物成像的同时保持对感兴趣区域的高分辨率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明提出一种含局部超分辨扫描的小凹成像系统，具体包括：大视场成像系统、偏振分光棱镜、局部超分辨扫描系统，以及高、低分辨率探测器各一个。其中，局部超分辨扫描系统由超分辨系统和二维扫描平台构成。
本发明具体设计方法如下：
(1)大视场成像系统可以是现有的绝大多数光学成像系统，但要求成像质量尽量接近衍射极限；
(2)偏振分光棱镜将成像光束分为偏振方向相互垂直的两束线偏光，这有利于后续液晶空间光调制器对光束做相位调制，其中一束线偏光直接成像在低分辨率探测器上，另一束在成像在中间像面上；
(3)超分辨系统的功能是对中间像的像点进行超分辨再成像，其组成结构包括：小孔光阑、滤光片、有限共轭距成像系统和液晶空间光调制器。其中，液晶空间光调制器起到超分辨光瞳的作用，使有限共轭距成像系统超分辨成像；
(4)二维扫描平台带动超分辨系统对中间像进行扫描成像，其扫描范围决定了超分辨区域的大小；
(5)高分辨率探测器依扫描顺序记录超分辨像点，并通过后续图像处理，得到超分辨图像。
与先前的技术相比，本发明具有以下优点：
(1)与传统的大视场光学系统相比，没有改变原有系统的构架，可在原有系统上对其进行改造，易实现实用化；
(2)本发明在系统结构上与专利CN103472569A最为接近。专利CN103472569A的系统结构如图2所示，该系统仅用分光棱镜进行分光束成像，并利用光学系统中央视场成像质量优于边缘视场这种普遍现象来实现所谓的双分辨率，其高分辨的中央视场大小、位置固定不变。本专利则应用偏振分光棱镜分光后，对中间像做超分辨扫描，不仅使得局部区域的分辨率进一步提高，而且超分辨区域的大小和位置灵活可变；
(3)已有的超分辨光瞳滤波器基本采用二元光学加工技术制造而成，本发明则应用液晶空间光调制器作为光瞳滤波器，具有动态、像素化的特点，这意味着它可以实时地改变其上的位相调制，且可以实现连续分布的相位调制。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构图。
图中：1大视场成像系统，2偏振分光棱镜，3低分辨率探测器，4中间像面，5局部超分辨扫描系统，6高分辨率探测器。其中，5局部超分辨扫描系统由51超分辨系统和52二维扫描平台构成。
图2为专利CN103472569A的发明原理图。
图3为实施例中的大视场成像系统，入瞳直径D＝8mm，焦距f’＝80mm，视场角2w＝40°，工作在可见波段。
图4为实施例中的超分辨系统结构图。
图中：511小孔光阑，512滤光片，513球面透镜系统，514液晶空间光调制器，515球面透镜系统。
图5为实施例中大视场成像系统的归一化PSF曲线对比图。
图中：虚线为加入局部超分辨扫描系统前的PSF曲线，实线为加入局部超分辨扫描系统后的PSF曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种含局部超分辨扫描的小凹成像系统，包括大视场成像系统(1)，偏振分光棱镜(2)，低分辨率探测器(3)，中间像面(4)，局部超分辨扫描系统(5)，高分辨率探测器(6)。其中，局部超分辨扫描系统(5)由超分辨系统(51)和二维扫描平台(52)构成。
实施例中，大视场成像系统选用三片式实现2w＝40°的大范围成像，入瞳直径D＝8mm，焦距f’＝80mm，如图3所示。
实施例中，超分辨系统选用d＝0.1mm的小孔光阑、λ＝632.8nm的滤光片，同时，选用4f系统作为基底的有限共轭距成像系统，并在其中间位置插入液晶空间光调制器，如图4所示。
实施例中透镜具体参数如表1所示。
实施例中，液晶空间光调制器上的相位分布采用Daniel等人发表的题为《Designof superresolving continuous phase filters》(见Opt.Lett.28，607-609)中提出的连续型相位分布：
φ(ρ)＝12.066sin(0.399×2πρ)
其中，ρ为液晶空间光调制器表面的归一化半径。这体现了液晶空间光调制器作为超分辨光瞳的优势，即可实现连续分布的相位调制。最终，得到超分辨因子G＝0.77，斯特列尔比S＝0.26，旁瓣强度比M＝0.14。
表1(单位：mm)

Claims (3)

1.一种含局部超分辨扫描的小凹成像系统，其特征在于：包括大视场成像系统(1)，偏振分光棱镜(2)，低分辨率探测器(3)，中间像面(4)，局部超分辨扫描系统(5)，高分辨率探测器(6)；其中大视场成像系统(1)成像接近衍射极限；偏振分光棱镜(2)将来自大视场成像系统的成像光束分为偏振方向相互垂直的两束线偏光，从而使得局部超分辨扫描系统(5)的超分辨系统(51)中的液晶空间光调制器后续对光束进行相位调制；其中一束线偏光直接成像在低分辨率探测器(3)上，另一束线偏光成像在中间像面(4)上；局部超分辨扫描系统(5)由超分辨系统(51)和二维扫描平台(52)构成，对中间像面(4)上的局部区域进行超分辨扫描并成像在高分辨率探测器上。
2.根据权利要求1所述的一种含局部超分辨扫描的小凹成像系统，其特征在于：超分辨系统(51)由小孔光阑、滤光片、有限共轭距成像系统和液晶空间光调制器组成，对中间像面(4)的像点进行超分辨再成像，使成像系统突破衍射极限，其中液晶空间光调制器起到光瞳滤波器的作用并且具有动态和像素化的特点；二维扫描平台(52)带动超分辨系统(51)对中间像面进行扫描成像，且其扫描范围决定了超分辨区域的大小。
3.根据权利要求1所述的一种含局部超分辨扫描的小凹成像系统，其特征在于：高分辨率探测器(6)依扫描顺序记录超分辨像点，并通过后续图像处理得到超分辨图像。
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