CN204719330U - 波前编码成像系统 - Google Patents

Abstract

一种波前编码成像系统，包括波前编码成像镜头、1/3英寸图像探测器和解码处理单元，波前编码成像镜头包括第一镜片、相位掩膜板、第二镜片和第三镜片；第一镜片、相位掩膜板、第二镜片、第三镜片，1/3英寸图像探测器和解码处理单元依次设置在同一光路上；第一镜片、相位掩膜板、第二镜片以及第三镜片的前表面以及后表面的曲率半径、X方向通光半孔径、Y方向通光半孔径均与现有技术中的各参数不同。本实用新型提供了一种在不改变图像传感器硬件条件的前提下，能够实现超大焦深的清晰成像，还可获得对应于更小物理像元尺寸探测器的超分辨率重构图像的波前编码成像系统。

Description

波前编码成像系统

技术领域

本实用新型属于光学领域，涉及一种波前编码成像系统，尤其涉及一种应用波前编码技术的大焦深成像系统。

背景技术

扩展光学系统的焦深一直都是学术界研究的热点，从20世纪80年代中期开始，虽然形形色色的方法被提出用于景深扩展，但是直到美国科罗拉多大学的Dowski博士和Cathey教授于1995年提出波前编码的概念之后，景深延拓才有了真正意义上的突破。

以一维光学系统为例，其离焦光学传递函数OTF可以通过广义光瞳函数的自相关运算来获得，如下所示：

$H(u,W_{20})=\frac{1}{2}\·\underset{-(1-|u|/2)}{\overset{1-\left|u\right|/2}{\∫}}\exp (j\·(2{\mathrm{kW}}_{20}ux+f\left(x+u/2\right)-f\left(x-u/2\right)\left)\right)dx$

其中，u和x分别是归一化的空间频率与孔径平面横向坐标；W₂₀是最大离焦波像差系数；k是波数；而f则代表相位板通用表达式。

对于传统成像系统来说，上式中的f项不存在，因此可以轻松得到离焦OTF的具体表达式为：

$H(u,W_{20})=\frac{sin(2{\mathrm{kW}}_{20}\·(1-\frac{\left|u\right|}{2}\left)\right)}{2{\mathrm{kW}}_{20}u},u\≠0$

可以看到，当系统未引入相位板时，其OTF对离焦是非常敏感的，而且会在频率空间周期性地出现零点，从而造成不可逆的信息损失。但是一旦将E.R.Dowski博士所发明的三次方相位板(f(x)＝αx³)引入到光学系统的入瞳面上之后，通过静态相位近似法就可以得到一个完全不同的离焦OTF，如下：

$H(u,W_{20})\≈\frac{1}{2}\·\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{\left|3\mathrm{\α}u\right|}}\·\exp (j\·(\frac{{\mathrm{\αu}}^3}{4}-\frac{k^2{{\mathrm{uW}}^2}_{20}}{3\mathrm{\α}})+j\·\mathrm{sgn}(u)\·\frac{\mathrm{\π}}{4}),u\≠0$

显而易见，此时离焦OTF的模，即MTF与离焦波像差系数是无关的，也就是说三次方相位板可以使系统MTF对离焦不敏感；虽然OTF的相位部分与离 焦参量W₂₀有关，但是只要调制因子α增大，其对W₂₀的依赖度就会显著降低。同时最为重要的是，在添加了相位掩膜板之后，MTF在有效频率范围之内只是在幅度上有一定程度的下降，而不存在零点或近零点，即系统出现离焦时，超出原始系统景深范围的信息并没有丢失，之后通过数字图像复原算法就可以被有效地恢复。同时，由于相位板对系统的通光量和分辨率都不会造成影响，所以波前编码是一种非常不同于缩小孔径法、中心遮拦法或切趾法的新型大景深成像方法。

毫无疑问，相位掩膜板是实现系统光学传递函数OTF离焦不敏感的关键。然而，如果没有复原滤波，就无法获得清晰的大焦深图像。传统的复原流程仅能获得与图像传感器有效像素数目相对应的解码图像，此时像元的实际物理大小决定了以每毫米线对数表征的系统空间分辨能力。如果要进一步提升系统的空间分辨力，选用像元更小的探测器是最直接的方法。但是，图像传感器像元的物理大小受制造工艺以及应用条件等诸多因素的限制，不可能无限地小下去。因此，在不改变传感器物理像元尺寸的前提下实现空间分辨率能力的提升是超分辨率研究领域的热点之一。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种在不改变图像传感器硬件条件的前提下，不但能够实现超大焦深的清晰成像，而且可以获得对应于更小物理像元尺寸探测器的超分辨率重构图像的波前编码成像系统。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种波前编码成像系统，包括波前编码成像镜头、1/3英寸图像探测器以及解码处理单元，所述波前编码成像镜头包括第一镜片、相位掩膜板、第二镜片以及第三镜片；所述第一镜片、相位掩膜板、第二镜片、第三镜片，1/3英寸图像探测器以及解码处理单元依次设置在同一光路上；其特殊之处在于：

所述第一镜片的前表面的曲率半径是18.91mm，第一镜片的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是6.22mm；所述第一镜片的后表面的曲率半径是234mm，第一镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5.85mm；所述第一镜片的前表面与第一镜片的后表面之间的距离，即第 一镜片的中心厚度是3.0mm；

所述相位掩膜板的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.95mm；所述相位掩膜板的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.42mm；所述第一镜片的后表面与相位掩膜板的前表面之间的距离，即第一镜片与相位掩膜板之间的距离是3.22mm；所述相位掩膜板的前表面与相位掩膜板的后表面之间的距离，即相位掩膜板的厚度是2.0mm；

所述第二镜片的前表面的曲率半径是-34.973mm，第二镜片的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.43mm；所述第二镜片的后表面的曲率半径是15.776mm，第二镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5.46mm；所述相位掩膜板的后表面与第二镜片的前表面之间的距离，即相位掩膜板与第二镜片之间的距离是2.0mm；所述第二镜片的前表面与第二镜片的后表面之间的距离，即第二镜片的中心厚度是3.0mm；

所述第三镜片的前表面的曲率半径是33.6240mm，第三镜片的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5.57mm；所述第三镜片的后表面的曲率半径是-26.53mm，第三镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.24mm；所述第二镜片的后表面与第三镜片的前表面之间的距离，即第二镜片与第三镜片之间的距离是5.17mm；所述第三镜片的前表面与第三镜片的后表面之间的距离，即第三镜片的中心厚度是3.0mm；

所述第三镜片的后表面与1/3英寸图像探测器之间的距离是39.3135mm。

上述相位掩膜板的2D掩膜函数形式是：

$Q(x,y)=\mathrm{\α}\·({\left(\frac{x}{4.9513}\right)}^3+{\left(\frac{y}{4.9513}\right)}^3)$

其中：

α表征三次方形相位掩膜板的相位调制强度，所述α取值是0.0130mm；

x以及y均为归一化的孔径坐标，单位mm，所述x以及y取值范围均为[-4.9513，4.9513]。

上述波前编码成像镜头的焦距是50mm，相对孔径1：4.5，全视场角约是10°，工作谱段480um～680um。

本实用新型的优点是：

本实用新型在深入研究波前编码成像系统物理特性的基础上，提出了一种适合应用于波前编码系统，在不改变探测器像元尺寸的前提下，不但可以实现超大焦深成像，而且能够达到超分辨率成像的目的。图像放大是最简单的将低分辨率图像映射到高分辨率网格的方法。传统的基于插值的图像放大并不能带来信息量的增加，而只是单纯地增加了像素数目，如果处理不当，还会对细节的分辨带来不利的影响。基于本实用新型所提出的系统进行超分辨处理是以波前编码成像机理为理论基础，不但能够增加图像的有效像素数目，而且可以消除传统图像放大对局部细节，如边缘等特征的破坏，是对波前编码成像技术潜在特性的深入挖掘。据此，本实用新型设计了搭载经典三次方形相位板的波前编码成像系统用于试验验证。结果表明，这种基于波前编码机理的超分辨率处理方法在局部放大细节的精确描述方面具有极大的优势。

附图说明

图1是波前编码大焦深成像系统的原理示意图；

图2a是波前编码大焦深成像系统对应于成像距离是5m时的光学传递函数示意图；

图2b是波前编码大焦深成像系统对应于成像距离是7m时的光学传递函数示意图；

图2c是波前编码大焦深成像系统对应于成像距离是10m时的光学传递函数示意图；

图2d是波前编码大焦深成像系统对应于成像距离是50m时的光学传递函数示意图；

图2e是波前编码大焦深成像系统对应于成像距离是无穷远时的光学传递函数示意图；

图3是由光学设计软件导出的光学点扩散函数通过模拟采样计算得到的对应于不同传感器物理像元大小的采样点扩散函数的效果图；

图4是波前编码大焦深成像系统的实物以及在平行光管下的经5.2um像元大小图像传感器采样得到的实际点扩散函数的效果图；

图5是基于本实用新型所提供的针对波前编码成像系统的超分辨率处理流程图。

具体实施方式

本实用新型涉及一套完整的基于波前编码机理的大焦深成像系统。

本实用新型提供了一种波前编码成像系统，包括波前编码成像镜头、1/3英寸图像探测器以及解码处理单元，波前编码成像镜头包括第一镜片(图1中的镜片1)、相位掩膜板、第二镜片(图1中的镜片2)以及第三镜片(图1中的镜片3)；第一镜片、相位掩膜板、第二镜片、第三镜片，1/3英寸图像探测器以及解码处理单元依次设置在同一光路上；

第一镜片的前表面的曲率半径是18.91mm，第一镜片的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是6.22mm；第一镜片的后表面的曲率半径是234mm，第一镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5.85mm；第一镜片的前表面与第一镜片的后表面之间的距离，即第一镜片的中心厚度是3.0mm；

相位掩膜板的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.95mm；相位掩膜板的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.42mm；第一镜片的后表面与相位掩膜板的前表面之间的距离，即第一镜片与相位掩膜板之间的距离是3.22mm；相位掩膜板的前表面与相位掩膜板的后表面之间的距离，即相位掩膜板的厚度是2.0mm；

第二镜片的前表面的曲率半径是-34.973mm，第二镜片的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.43mm；第二镜片的后表面的曲率半径是15.776mm，第二镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5.46mm；相位掩膜板的后表面与第二镜片的前表面之间的距离，即相位掩膜板与第二镜片之间的距离是2.0mm；第二镜片的前表面与第二镜片的后表面之间的距离，即第二镜片的中心厚度是3.0mm；

第三镜片的前表面的曲率半径是33.6240mm，第三镜片的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5.57mm；第三镜片的后表面的曲率半径是-26.53mm，第三镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.24mm；第二镜片的后表面与第三镜片的前表面之间的距离，即第二镜片与第三镜片之间的距离是5.17mm；第三镜片的前表面与第三镜片的后表面之间的距离，即第三镜片的中心厚度是3.0mm；

第三镜片的后表面与1/3英寸图像探测器之间的距离是39.3135mm。

相位掩膜板的2D掩膜函数形式是：

$Q(x,y)=\mathrm{\α}\·({\left(\frac{x}{4.9513}\right)}^3+{\left(\frac{y}{4.9513}\right)}^3)$

其中：

α表征三次方形相位掩膜板的相位调制强度，α取值是0.0130mm；

x以及y均为归一化的孔径坐标，单位mm，x以及y取值范围均为[-4.9513，4.9513]。

波前编码成像镜头的焦距是50mm，相对孔径1：4.5，全视场角约是10°，工作谱段480um～680um。

基于本实用新型所提供的波前编码成像系统的对单幅图像放大的超分辨处理时，具体包括以下步骤：

1)选定超分辨所希望得到的传感器实际像元的大小p_new，并据此确定超分辨率网格图像Y与解码之前呈均匀模糊的原始分辨率图像I之间的比例系数，即比例系数就是目标图像的放大倍数，目标图像的放大倍数是δ＝[p/p_new]，

其中：

[]代表取整； 

p则代表与解码之前呈均匀模糊的原始分辨率图像I对应的传感器像元大小；

2)将解码之前呈均匀模糊的原始分辨率图像I的行方向以及列方向均放大δ倍，此时超分辨率网格图像Y的有效像素数将变为解码之前呈均匀模糊的原始分辨率图像I的δ²倍；采用的插值方法是最邻近插值；

3)利用如上所示的波前编码成像镜头的参数获得所希望得到的具有更小像元图像传感器采样之前的原始点扩散函数Psf_optical；步骤3)中获得所希望得到的具有更小像元图像传感器采样之前的原始点扩散函数Psf_optical的方式是由光学系统设计软件导出。

4)根据目标图像的放大倍数δ，通过反向填充重采样，利用Psf_optical计算对应于更小的传感器实际物理像元p_new的采样点扩散函数Psf_calculated；

5)以Psf_calculated作为先验知识，对行方向以及列方向均已经放大到目标图像 的放大倍数δ倍的模糊图像进行复原滤波，实现基于单幅图像放大的超分辨率重建。

参考图1(波前编码大焦深成像系统的原型设计框架)，在本实用新型所提出的系统中，成像目标1通过常规波前编码成像镜头2后，在1/3英寸图像探测器3上形成模糊的中间像，然后解码处理单元4进行去卷积处理，最终得到聚焦清晰的大焦深图像。除了能够获得原始分辨率大焦深图像之外，解码处理单元4还可以根据需要实施基于单幅图像放大的超分辨率重建，通过计算得到对应于更小物理像元尺寸传感器的图像。

本实用新型所提出的波前编码成像镜头是在经典Cook三片物镜的基础上搭载具有三次方形相位分布的相位掩膜板获得的。三片常规球面透镜采用一般的玻璃透镜加工工艺即可获得，三次方形相位掩膜板则需要由五自由度自由曲面加工设备完成。目标场景所发出的成像光线在经过波前编码成像镜头以后，其所具携带的场景不同位置的深度信息被编码，随之而来的是系统对离焦的不敏感，由图2(波前编码大焦深成像系统对应于不同成像距离(5m(a)，7m(b)，10m(c)，50m(d)以及无穷远(e))所示。其中横坐标代表以每毫米线对数表征的空间频率，纵坐标则代表归一化后的MTF幅值。)所示的调制传递函数MTF反应出来。可以看到，不同离焦量、不同视场以及不同波长所对应的MTF均具有极好的一致性。虽然编码后的MTF值要小于编码前的值，但是在存在离焦量的情况下它不会出现零值，因此不会造成图像细节信息的丢失。图像探测器上是一幅呈现均匀一致模糊的图像，用解码处理单元对它进行解码，将系统的MTF值提升至接近衍射受限，从而恢复出锐利清晰的图像。

本实用新型所涉及的波前编码成像系统在投入使用之前，需要在平行光管的帮助下进行标定工作。研究表明：对于矩形可分的相位掩膜板来说，其所对应的点扩散函数并非旋转对称，其主要能量分布在正交的x方向和y方向。如果波前编码成像镜头点扩散函数的x轴y轴与图像传感器的x轴y轴不能良好对应，那么就会在复原图像中产生强烈的伪信息。因此，本实用新型所设计的相位掩膜板安装在一个具有机械旋动装置的夹持框上(如图4所示)，可以在0～90°的范围内实现相位掩膜板以光轴为中心的旋转。这一结构就能够做到使相位板的两轴与图像传感器两轴的较为准确的对齐。

任何一个成像镜头在经过良好的像差校正之后，其所具有的光学点扩散函数的支持域将非常紧凑。此时，利用光学点扩散函数模拟经探测器采样后的系统点扩散函数时，不同像元大小探测器所对应的结果之间的差异很小。然而，由于波前编码系统的光学点扩散函数具有极大的支持域，所以像元大小的不同将产生截然不同的系统点扩散函数。像元越小，采样点扩散函数就越接近光学点扩散函数。换句话说，像元越小，采样点扩散函数对系统的描述就越精确。如图3(图3给出了与该波前编码成像镜头对应的、由光学设计软件导出的光学点扩散函数通过模拟采样计算得到的对应于不同传感器物理像元大小(5.2um，3.2um，2.6um以及1.7um)的采样点扩散函数)所示，通过模拟计算，由光学系统设计软件导出的光学点扩散函数能够获得与不同大小像元传感器(5.2um，3.2um，2.6um以及1.7um)相对应的采样点扩散函数。通过比较图3与图4(图4给出了该波前编码大焦深成像系统的实物以及在平行光管下的经5.2um像元大小图像传感器采样得到的实际点扩散函数)，不难发现，模拟产生的5.2um像元对应的点扩散函数与平行光管下的实测点扩散函数具有很高的相似度。因此，利用光学系统设计软件提取光学点扩散函数以后，就可以较为精确地计算出经不同大小像元采样后的实际点扩散函数，该研究结果就为不改变传感器硬件条件而获得对应于更小像元的实际采样点扩散函数奠定了理论基础。

基于波前编码成像系统的这一特性，本实用新型提出的针对波前编码系统的超分辨率处理流程如图5所示。首先，确定所希望得到的探测器物理像元大小，并通过与当前传感器实际像元大小的比较获得目标图像的放大倍率。比如当前图像传感器的像元大小是5.2um，假设想要获得2.6um传感器的成像效果，那么此时目标图像的放大倍率就等于2。其次，由光学点扩散函数出发，通过模拟采样获得与具有所需像元大小的探测器对应的实际采样点扩散函数。再次，将经相位板编码之后的模糊中间图像放大到相应的倍数。最后，利用模拟计算获得的与更小像元探测器对应的实际采样点扩散函数，通过忙卷积结合Richardson-Lucy算法对放大后的中间模糊图像进行复原重建，从而获得超分辨重建的效果。

利用本实用新型提出的波前编码超分辨成像系统进行的外场试验时，解码之后的图像非常清晰，而且场景中的边缘都显著地增强了，这是因为相位掩膜 板在消除离焦敏感性的同时也对系统的波前畸变起到了抑制作用，所以波前编码系统的滤波解码图像由于消除了波前畸变带来的模糊退化而产生了场景增强的效果。利用图5所述的超分辨率重建流程，其中4倍超分辨率的处理效果等价于由像元大小为1.3um的图像传感器所捕获的图像。可以看到，与单纯的放大相比，基于本实用新型所提出的超分辨处理时可以显著增强放大后的效果，消除常规放大带来的锯齿效应，可以更加精确地对场景信息进行描述。这就证明，本实用新型所提出的针对波前编码系统的超分辨处理流程是非常有效的。然而，考虑到小像元带来的能量不足以及信噪比降低等问题，图5所示的超分辨处理流程所能够获得的放大倍数是存在限制的。研究表明，本实用新型所提出的超分辨率处理流程适用的放大倍数一般不超过4。

Claims (3)

1.一种波前编码成像系统，包括波前编码成像镜头、1/3英寸图像探测器以及解码处理单元，所述波前编码成像镜头包括第一镜片、相位掩膜板、第二镜片以及第三镜片；所述第一镜片、相位掩膜板、第二镜片、第三镜片，1/3英寸图像探测器以及解码处理单元依次设置在同一光路上；其特征在于：

所述第一镜片的前表面的曲率半径是18.91mm，第一镜片的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是6.22mm；所述第一镜片的后表面的曲率半径是234mm，第一镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5.85mm；所述第一镜片的前表面与第一镜片的后表面之间的距离是3.0mm；

所述相位掩膜板的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.95mm；所述相位掩膜板的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.42mm；所述第一镜片的后表面与相位掩膜板的前表面之间的距离是3.22mm；所述相位掩膜板的前表面与相位掩膜板的后表面之间的距离是2.0mm；

所述第二镜片的前表面的曲率半径是-34.973mm，第二镜片的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.43mm；所述第二镜片的后表面的曲率半径是15.776mm，第二镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5.46mm；所述相位掩膜板的后表面与第二镜片的前表面之间的距离是2.0mm；所述第二镜片的前表面与第二镜片的后表面之间的距离是3.0mm；

所述第三镜片的前表面的曲率半径是33.6240mm，第三镜片的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5.57mm；所述第三镜片的后表面的曲率半径是-26.53mm，第三镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4.24mm；所述第二镜片的后表面与第三镜片的前表面之间的距离是5.17mm；所述第三镜片的前表面与第三镜片的后表面之间的距离是3.0mm；

所述第三镜片的后表面与1/3英寸图像探测器之间的距离是39.3135mm。

2.根据权利要求1所述的波前编码成像系统，其特征在于：所述相位掩膜板的2D掩膜函数形式是：

其中：

α表征三次方形相位掩膜板的相位调制强度，所述α取值是0.0130mm；

x以及y均为归一化的孔径坐标，单位mm，所述x以及y取值范围均为[-4.9513，4.9513]。

3.根据权利要求1或2所述的波前编码成像系统，其特征在于：所述波前编码成像镜头的焦距是50mm，相对孔径1：4.5，全视场角约是10°，工作谱段480um～680um。