CN109246349B - 高品质超分辨面阵成像相机及成像方法 - Google Patents

Abstract

为了在不改变CCD探测器尺寸大小的前提下，提升光学成像系统分辨率，本发明提供了一种高品质超分辨面阵成像相机及成像方法。面阵成像相机包括前端光学系统、校正镜组和图像接收处理单元；在前端光学系统和校正镜组间设置相位板；在校正镜组输出光路上设置分光棱镜，在分光棱镜反射光路和透射光路上分别设置第一反射镜组件和第二反射镜组件；第一反射镜组件包括用于将分光棱镜反射光束引入第一主CCD的第一平面反射镜；第二反射镜组件包括用于将分光棱镜透射光束引入第二主CCD的第三平面反射镜；第一主CCD相对于第二主CCD在感光面内沿两个垂直的方各错位0.1‑0.9个像元；图像接收处理单元采用超分辨重建算法对两个主CCD的输出图像进行处理，得到最终成像图像。

Description

高品质超分辨面阵成像相机及成像方法

技术领域

本发明属于光学成像领域，涉及一种面阵成像相机及成像方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，对图像的分辨率要求越来越高，在光学成像系统中，从一副目标景物得到最后看到的图像要经过大气环境、光学相机、CCD探测器等很多环节，这其中的每一个环节都可能会对图像分辨率产生影响。然而，CCD探测器本身的质量还是决定最后图像分辨率的关键。因此，要提高图像的空间分辨率最直接的办法是改进CCD探测器的尺寸，但是CCD探测器尺寸受工艺水平、信噪比等很多因素影响，到了一定技术水平之后对其进行改进不仅技术难度大，而且改进成本比较昂贵。因此，在不改变CCD探测器尺寸大小的前提下，亟需一种提升光学成像系统分辨率的技术解决方案。

发明内容

为了在不改变CCD探测器尺寸大小的前提下，提升光学成像系统分辨率，本发明提供了一种高品质超分辨面阵成像相机及成像方法。本发明所说的超分辨是指成像相机的分辨率大于相机中任意单个CCD的分辨率。

本发明的技术解决方案是：

高品质超分辨面阵成像相机，包括前端光学系统、校正镜组和图像接收处理单元；其特殊之处在于：

在前端光学系统和校正镜组之间设置有相位板；

在所述校正镜组输出光路上设置有分光棱镜、在所述分光棱镜反射光路上设置有第一反射镜组件，在所述分光棱镜透射光路上设置有第二反射镜组件；

所述第一反射镜组件包括第一平面反射镜，第一平面反射镜用于将所述分光棱镜的反射光束引入第一主CCD；

所述第二反射镜组件包括第三平面反射镜，第三平面反射镜用于将所述分光棱镜的透射光束引入第二主CCD；

第一主CCD相对于第二主CCD在感光面内沿两个相互垂直的方各错位0.1-0.9个像元；

图像接收处理单元采用超分辨重建算法对第一主CCD和第二主CCD的输出图像进行处理，得到最终成像图像。

进一步地，第一平面反射镜与分光棱镜反射光束夹角为67.5度。

进一步地，第三平面反射镜的反射面与分光棱镜的透射光束夹角为67.5度。

进一步地，第一主CCD相对于第二主CCD在感光面内沿两个相互垂直的方各错位0.5个像元。

进一步地，高品质超分辨面阵成像相机还包括与所述图像接收处理单元相连的高速相机和波前检测相机；所述第一反射镜组件还包括第二平面反射镜，第二平面反射镜用于将所述分光棱镜的反射光束引入所述高速相机；所述第二反射镜组件还包括第四平面反射镜，第四平面反射镜用于将所述分光棱镜的透射光束引入所述波前检测相机；高速相机和波前检测相机具有1λ的离焦位相差异，λ为光波波长。

进一步地，第二平面反射镜的反射面与分光棱镜的反射光束夹角45度；第四平面反射镜的反射面与分光棱镜的透射光束之间的夹角为45度。

进一步地，所述超分辨重建算法为反向迭代投影IBP算法。

本发明同时提供了一种基于上述的高品质超分辨面阵成像相机获取图像的方法，其特殊之处在于，包括步骤：

1)分光棱镜将校正镜组输出的光束一分为二；

2)第一平面反射镜将分光棱镜的反射光束引入第一主CCD；第三平面反射镜将分光棱镜的透射光束引入第二主CCD；

3)第一主CCD和第二主CCD获取同一目标场景的亚像元图像对；

4)采用超分辨重建算法对所述亚像元图像对进行处理，输出最终成像图像。

进一步地，步骤4)中所述的超分辨重建算法为反向迭代投影IBP算法。

进一步地，上述方法还包括以下步骤：

步骤5)第二平面反射镜将分光棱镜的反射光束引入高速相机，第四平面反射镜将分光棱镜的透射光束引入波前检测相机；

步骤6)高速相机和波前检测相机分别获取正离焦图像；

步骤7)根据所述正离焦图像获取面阵成像相机的波前畸变。

与现有技术相比，本发明的优点是：

在探测器像元与成像距离一定的情况下，通过第一主CCD和第二主CCD获取亚像元图像对，提升面阵成像相机的系统分辨率，提升效果可达单个探测器的1.4倍；通过高速相机进行高频相移检测，提升图像品质；通过在前端光学系统和校正镜组之间设置相位板，增加面阵成像相机的系统焦深，实现了波前编码大焦深免调焦成像；通过高速相机和波前检测相机获取正离焦图像，进而处理后获取成像相机的波前畸变，为本领域技术人员进一步进行成像相机成像品质的提升改进提供了依据。

附图说明

图1为本发明高品质超分辨面阵成像相机结构原理示意图；

图2为本发明视场之间的配置关系图；

附图标号说明：1-前端光学系统，2-校正镜组，3-分光棱镜，41-第一平面反射镜，42-第二平面反射镜，51-第三平面反射镜，52-第四平面反射镜，6-第一主CCD，7-第二主CCD，8-高速相机，9-波前检测相机，10-相位板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的高品质超分辨面阵成像相机，包括沿光路依次设置的前端光学系统1、相位板10、校正镜组2和分光棱镜3；

在分光棱镜3反射光路上设置有第一反射镜组件，在分光棱镜3透射光路上设置有第二反射镜组件；

第一反射镜组件包括第一平面反射镜41和第二平面反射镜42，第一平面反射镜41用于将所述分光棱镜3的反射光束引入第一主CCD6，第二平面反射镜42用于将所述分光棱镜3的反射光束引入高速相机8；

第二反射镜组件包括第三平面反射镜51和第四平面反射镜52，第三平面反射镜51用于将所述分光棱镜3的透射光束引入第二主CCD7，第四平面反射镜52用于将所述分光棱镜3的透射光束引入波前检测相机9；

第一主CCD6相对于第二主CCD7在感光面内沿两个相互垂直的方各错位0.1-0.9个像元，以获得同一目标场景具有亚像元位移量的的亚像元图像对，该亚像元图像对经超分辨重建处理就能起到提升成像相机分辨率的作用。最佳地，第一主CCD6相对于第二主CCD7在感光面内沿两个相互垂直的方各错位0.5个像元时，经超分辨重建处理后得到的图像分辨率最高。

为了使第一主CCD6和第二主CCD7的焦面位于同一平面上，便于后期装配、调试，第一平面反射镜41的反射面与分光棱镜3的反射光束夹角为67.5度，第三平面反射镜51的反射面与分光棱镜3的透射光束的夹角为67.5度。为了使高速相机8和波前检测相机9位于同一平面上，方便后期装配、调试，第二平面反射镜42反射面与分光棱镜3的反射光束夹角45度，第四平面反射镜52反射面与分光棱镜3的透射光束夹角45度。

本发明原理：

在前端光学系统1和校正镜组2之间设置相位板10，可以实现大焦深；成像光束由分光棱镜3一分为二，两部分光束分别到达各自的探测器(第一主CCD6和第二主CCD7)。由于第一主CCD6和第二主CCD7在CCD感光面的两个垂直方向相对错位0.1-0.9个像元，所以能够获得同一个目标场景具有亚像元位移量的亚像元图像对，该图像对经超分辨重建算法(例如反向迭代投影IBP算法)进行处理就能够起到提升系统分辨率的作用。

通过第一反射镜组件和第二反射镜组件，从分光棱镜3的反射光束和透射光束中分别分割出一小块视场，由高速相机8和波前检测相机9分别捕获，高速相机8、波前检测相机9、主CCD(第一主CCD和第二主CCD的视场相同)之间的视场关系如图2所示。高速相机8和波前检测相机9具有固定的约1λ(λ为光波波长)的离焦位相差异，分别获取的正离焦图像对用于估计面阵成像相机波前畸变，为进一步改善面阵成像相机的成像品质提供理论依据。另外，高速相机8还可以实现对亚像元图像对中存在的因随机颤振引起的像移进行检测，提高面阵成像相机成像品质。

Claims (8)

1.高品质超分辨面阵成像相机，包括前端光学系统(1)、校正镜组(2)和图像接收处理单元；其特征在于：

在前端光学系统(1)和校正镜组(2)之间设置有相位板(10)；

在所述校正镜组(2)输出光路上设置有分光棱镜(3)、在所述分光棱镜(3)反射光路上设置有第一反射镜组件，在所述分光棱镜(3)透射光路上设置有第二反射镜组件；

所述第一反射镜组件包括第一平面反射镜(41)，第一平面反射镜(41)用于将所述分光棱镜(3)的反射光束引入第一主CCD(6)；

所述第二反射镜组件包括第三平面反射镜(51)，第三平面反射镜(51)用于将所述分光棱镜(3)的透射光束引入第二主CCD(7)；

第一主CCD(6)相对于第二主CCD(7)在感光面内沿两个相互垂直的方向各错位0.1-0.9个像元；

所述图像接收处理单元采用超分辨重建算法对第一主CCD(6)和第二主CCD(7)的输出图像进行处理，得到最终成像图像；

还包括与所述图像接收处理单元相连的高速相机(8)和波前检测相机(9)；所述第一反射镜组件还包括第二平面反射镜(42)，第二平面反射镜(42)用于将所述分光棱镜(3)的反射光束引入所述高速相机(8)；所述第二反射镜组件还包括第四平面反射镜(52)，第四平面反射镜(52)用于将所述分光棱镜(3)的透射光束引入所述波前检测相机(9)；高速相机(8)和波前检测相机(9)具有1λ的离焦位相差异，λ为光波波长。

2.根据权利要求1所述的高品质超分辨面阵成像相机，其特征在于：第一平面反射镜(41)的反射面与分光棱镜(3)反射光束的夹角为67.5度。

3.根据权利要求1或2所述的高品质超分辨面阵成像相机，其特征在于：第三平面反射镜(51)的反射面与分光棱镜(3)透射光束的夹角为67.5度。

4.根据权利要求1或2所述的高品质超分辨面阵成像相机，其特征在于：第一主CCD(6)相对于第二主CCD(7)在感光面内沿两个相互垂直的方各错位0.5个像元。

5.根据权利要求1所述的高品质超分辨面阵成像相机，其特征在于：

第二平面反射镜(42)的反射面与分光棱镜(3)的反射光束之间的夹角为45度；第四平面反射镜(52)的反射面与分光棱镜(3)的透射光束之间的夹角为45度。

6.根据权利要求1或2所述的高品质超分辨面阵成像相机，其特征在于：所述超分辨重建算法为反向迭代投影IBP算法。

7.基于权利要求1所述的高品质超分辨面阵成像相机获取图像的方法，其特征在于，包括步骤：

1)分光棱镜(3)将校正镜组(2)输出的光束一分为二；

2)第一平面反射镜(41)将分光棱镜(3)的反射光束引入第一主CCD(6)；第三平面反射镜(51)将分光棱镜(3)的透射光束引入第二主CCD(7)；

3)第一主CCD(6)和第二主CCD(7)获取同一目标场景的亚像元图像对；

4)采用超分辨重建算法对所述亚像元图像对进行处理，得到最终成像图像；

5)第二平面反射镜(42)将分光棱镜(3)的反射光束引入高速相机(8)，第四平面反射镜(52)将分光棱镜(3)的透射光束引入波前检测相机(9)；

6)高速相机(8)和波前检测相机(9)分别获取正离焦图像；

7)根据所述正离焦图像获取面阵成像相机的波前畸变。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤4)中所述的超分辨重建算法为反向迭代投影IBP算法。

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