本发明专利技术涉及一种反射式数字成像系统的设计方法，实现步骤如下：反射式数字成像系统的光学像差有离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差、场曲，本发明专利技术把光学设计和数字处理一起来进行优化来校正这些像差，对不易于用数字处理补偿的像差留给光学设计校正，对易于用数字处理补偿的像差用图像处理算法校正。通过系统综合设计指标把光学成像系统和数字处理系统相结合，通过成像目标先验模型对数字成像系统设计参数加以约束，形成反馈迭代式优化设计，降低了反射式光学系统的复杂度。
【技术实现步骤摘要】
一种反射式数字成像系统的设计方法
本专利技术涉及一种反射式数字成像系统设计方法。
技术介绍
随着电子技术和材料工艺的飞速发展，反射式成像系统经已经由卤化银胶片成像式发展为数字成像，并因其适用于长焦距、大口径、波长无选择性的优点，被广泛的应用于气象观测，资源调查，环境监测，海洋遥感，空间摄影测量，侦察和预警，行星恒星等空间物理现象观测，空间目标搜索等领域，如图1所示，成像系统的光学系统通常由主镜、次镜、校正镜组组成，显然校正镜的加入使得传统的纯反射式系统变为了折反射式系统，目标通过光学系统成像在CCD或COMS探测器上形成数字图像，人们再针对应用需求利用图像处理算法对数字图像进行或多或少的修正，而数字图像处理对于传统的反射式数字成像系统来说并非是必要的组成部分，这样，在数字处理迅猛发展的今天，就一定意义上失去了所谓“数字”成像的特点，并没有完全的挖掘出数字成像的全部优点。反射式光学系统一般不考虑色差的影响，光学系统主要针对离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差等单色光学像差进行校正，传统的设计方法主要分为两个步骤：第一步，用基于光线追迹的方法对光程差函数(或者波像差)进行优化来设计光学系统。光程差函数(或者波像差)是光学系统优化设计首要考虑的因素，其可以通过离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差来表示，光学系统设计就是要平衡这些像差，使镜头出瞳光程差函数平方的均值最小，但是各种像差级次繁多，远远多于系统设计参数数量，导致每种像差都会有一定残留，影响图像清晰度。第二步，在光学系统设计完毕后，需要根据需求对光学系统的成像结果进行数字处理来提高图像的视觉效果即成像清晰度，处理算法主要包括提高信噪比和提高对比度。总的来说传统的设计方法是一种顺序队列式的设计，光学设计和数字处理设计相互独立，其缺点主要表现在：(1)光学系统设计的优劣成为决定成像质量的唯一环节，导致光学系统的结构十分复杂。为了“完美”校正像差，反射式系统通常都采用非球面，而非球面由于各点曲率半径都不相同给加工带了很大困难，同时它的检测也不能用传统的球面检测方法，需要专门的辅助设备，这必然都带来加工周期、成本的增加。另外，校正镜组的引入削弱了反射式系统对成像波长无选择性的优势，降低了系统适用场合。(2)数字处理提高图像的清晰度主要包括提高信噪比和提高对比度，图像信噪比表征了成像系统噪声程度，目标对比度表征了成像系统的调制传递函数MTF影响。图像数字处理中，平滑滤波可以提高图像信噪比，锐化滤波可以提高对比度，然而提高信噪比和提高对比度相互制约、难以兼顾，图像平滑必然降低对比度，图像锐化引入卷积算法必然会使噪声放大或引入新的噪声。(3)光学设计和数字处理设计相互独立、不成体系。光学设计不考虑数字处理的需求，数字处理也不考虑光学设计指标对算法的影响，这使光学器件约束导致的光学设计的缺陷，和处理算法约束导致的数字处理设计的缺陷，两者在最终的数字图像上只能是相加或者放大，而无法相互抵消。总之，传统设计中，即便光学系统和数字处理算法都已经设计的“非常好”，但是，一个“最优”的光学系统和一个“最优”的数字处理算法的组合并非意味着一个“最优”的数字成像系统，这样的组合只能实现成像系统的局部最优而非全局最优。因此，需要对传统的设计方法进行改进，使光学系统设计和数字信号处理有机结合，为简化光学系统提供一种解决途径。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种反射式数字成像系统设计方法，通过数字图像处理算法校正光学像差，从而放宽对光学系统的严格要求，降低反射式数字成像系统的复杂度。本专利技术技术解决方案：一种反射式数字成像系统的设计方法，其特征在于实现步骤如下：(1)分析像差对成像清晰度损失的影响在反射式光学系统由于光学设计、光学材料、光学加工装调等限制引起的光学像差有：离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差。根据波像差理论和泽尼克多项式，能够得到当光学系统仅含有一种单色像差时的点扩散函数，对离焦、畸变、像散、慧差、球差、场曲的点扩散函数分别做傅里叶变换再取模值即可得到每种像差的调制传递函数，而调制传递函数能够更直观的表示出各个单色像差对成像清晰度的影响，如图2所示，表示当光学系统仅含有一种单色像差时的调制传递函数曲线，且每种像差引起的波相差值均相等。从图2中也可以看出不同像差对成像清晰度的影响也是不同的，根据图像恢复的理论可知，如果图像的调制传递函数下降过于快速，或者过零点频率较低，或者零点较多都会给图像复原带来更大的难度，特别是在过零点图像的信息基本完全损失，难以恢复。因此对于不同的像差，用数字处理来补偿的难度是不一样的，由简到难为：畸变＜慧差＜像散≤场曲＜离焦≤球差在设计光学系统时，就可以根据研发成本和应用需求，通过光学设计着重校正那些不易于数字修正的像差，而把易于数字修正的像差留给数字处理系统来补偿，利用数字处理系统分担了光学系统的部分压力，从而放宽了对光学系统的严格要求，例如，光学系统就不再需要加入校正镜组来修正因为视场扩大带来的像散修正问题，或者主镜和次镜的不再需要引入非球面来增加结构变量达到优化其余各单色像差，这会大大降低光学系统的复杂度，可以用低成本的光学系统实现高质量的数字图像。(2)建立成像目标的先验模型成像目标先验模型包含光学设计和数字处理设计所需的成像目标先验信息，主要包括物理先验信息、噪声先验信息、纹理先验信息、成像过程先验信息。(21)物理先验信息：由目标发出的光线中的所有光子都被探测器所接收，也就是说，像差引起的点扩散函数的矩阵所有行相加为1，即目标光线强度在像平面上的投影能量上是无损失的，数学上可以表示为Hjn×1＝jm×1，其中H表示像差点扩散函数在探测器上的投影矩阵，j为一个所有元素和为1的矩阵；(22)噪声先验信息：噪声是一个随机过程,噪声灰度值是一个随机向量,按照其统计特性可分为：高斯噪声、Gamma噪声、泊松噪声、瑞利噪声。在空间域,噪声灰度值是随机跳变的；在频率域,噪声信息在高频段，具体可以参考现有技术得以理解，在此不做赘述。(RafaelC.GonzalezandRichardE.Woods.DigitalimageProcessing.3rdEdition.PrenticeHallPTR,2007.)；(23)纹理先验信息：纹理是引起人类视觉系统感知理解的最重要因素，是由许多周期性的相互接近、相互编织的模式和灰度(颜色)在空间以一定形式变化而产生的图案。纹理是自然图像的固有特征,它往往反映了目标内部的精细结构以及具有不规则性和相似性的振荡行为。纹理保持模型主要有Mumford-Shah模型、全变分模型等。具体可以参考现有技术得以理解，在此不做赘述。(D.MumfordandJ.Shah.Optimalapproximationsbypiecewisesmoothfunctionsandassociatedvariationalproblems.Comm.PureAppl.Math.,42:577-685,1989.)；(24)成像过程先验信息：目标在光学系统中的成像结果可以认为是一个与像差有关的随机统计量，即光学系统成像结果可以表示成条件概率：P{T9＝Y|T0＝t0,T1＝t1,...,T8＝t8}，其中，T0—本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种反射式数字成像系统的设计方法，其特征在于实现步骤如下：(1)分析像差对成像清晰度损失的影响反射式光学系统的光学像差有：离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差，对于不同的像差，用数字处理来校正的难度由简到难排序为：畸变＜慧差＜像散≤场曲＜离焦≤球差(2)建立成像目标先验模型成像目标先验模型包含光学设计和数字处理设计所需的成像目标先验信息，包括物理先验信息、噪声先验信息、纹理先验信息、成像过程先验信息；用光学设计和数字处理联合对光学像差进行修正属于数学的逆问题，成像目标先验信息为求解这个逆问题提供了约束条件，成像目标先验模型设计参数集合表示为ΩTarget；(3)建立光学成像系统模型光学成像系统包括光学子系统和探测器子系统，光学子系统为光学镜头，探测器子系统为CCD或COMS传感器；光学子系统设计首先要根据步骤(1)决定通过光学设计着重修正哪些像差，在像差确定后就能够建立光学子系统和探测器子系统的模型，如下：目标场景x发出的光线经光学子系统后得到的结果yoptic表示成空间变化的卷积积分：yoptic＝∫x(t‑τ)hoptic(t,τ)dτ (1)其中，t表示图像的空间位置，τ为卷积松弛变量，hoptic表示由像差引起的光学系统点扩散函数，hoptic可以通过光线追迹方法测量光程差函数OPD(p,t)波前分布获得，即光学系统的像差表示为真实波前和理想波前的光程差：hoptic(t,τ)＝|∫A(p)expj[OPD(p,t)+2πτp]dp|2 (2)其中，p表示光学系统出瞳平面的二维坐标，A(p)表示出瞳的幅值，光学子系统的优化就是改变光学参数使光学子系统出瞳(OPD)函数平方均值最小，OPD函数由光学像差决定，反射式光学镜头一般不考虑色差，因此，OPD函数由离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差决定，而像差由光学子系统的设计参数决定，这些参数包括光学镜片数量、镜片材质、镜片大小、镜片曲率半径、镜片间的空气间隔，用ΩOptic来表示这些设计参数组成的集合；结合步骤(2)中的成像目标先验信息，根据成像过程先验信息约束光学像差造成的清晰度损失，从而约束光学子系统设计参数ΩOptic，在成像目标先验信息约束下的光学子系统传递函数表示为：hoptic(t,τ)|ΩTarget=[|∫A(p)expj[OPD(p,t)+2πτp]dp|2]|ΩTarget---(3)]]>探测器子系统的作用是对光学子系统的光学信息进行数字化采集，其性能由探测器子系统传递函数决定：其中，ωs为探测器采样频率；为探测器方形像元的相对宽度；探测器设计参数包括探测器的像元数量、像元大小、像元形状、填充因子、量子效率，用ΩSensor来表示这些设计参数组成的集合；结合步骤(2)中的成像目标先验信息，根据噪声先验信息约束探测器暗电流噪声，从而约束探测器子系统设计参数ΩSensor，在成像目标先验信息约束下的探测器子系统传递函数表示为：用H(ΩOptic,ΩSensor|ΩTarget)表示成像目标先验信息下的光学成像系统传递函数模型为：H(ΩOptic,ΩSensor|ΩTarget)=hoptic(t,τ)|ΩTarget*hsensor(ωx,ωy)|ΩTarget---(6)]]>利用成像目标先验信息中噪声先验信息获得的噪声模型N(ΩTarget)和光学成像系统传递函数模型即可建立光学成像系统模型：Y＝H(ΩOptic,ΩSensor|ΩTarget)X+N(ΩTarget) (7)其中X表示无像差、无噪声的理想图像，Y表示光学成像系统的成像结果，即目标发出的光线经过光学子系统后在探测器子系统上采集到的数字图像；显然Y中通过H(ΩOptic,ΩSensor|ΩTarget)包含了对像差对图像清晰度的影响，通过N(ΩTarget)包含了噪声对清晰度的影响；(4)建立数字处理系统模型数字处理系统的目的是要降低步骤(3)中像差和噪声对图像清晰度的影响，数字处理系统由平滑滤波器和锐化滤波器构成，用于补偿光学成像系统的遗留像差；平滑滤波器用于降低噪声对图像的影响，锐化滤波器用于降低像差对图像的影响；数字图像处理中平滑滤波和锐化滤波是相互矛盾的，在数字处理系统设计时必须同时考虑这两种损失，以使像差修正效果达到最优，用ΩDigital来表示平滑滤波器和锐化滤波器设计参数组成的集合；用W(ΩDigital)表示数字处理系统的传递函数，结合步骤(2)中的成像目标先验信息，如用纹理先验信息约束锐化滤波器的锐化程度，从而约束设计参数ΩDigital，结合成像目标先验信息的数字处理系统传递函数表示为W(ΩDigi...
【技术特征摘要】
1.一种反射式数字成像系统的设计方法，其特征在于实现步骤如下：(1)分析像差对成像清晰度损失的影响反射式光学系统的光学像差有：离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差，对于不同的像差，用数字处理来校正的难度由简到难排序为：畸变＜慧差＜像散≤场曲＜离焦≤球差(2)建立成像目标先验模型成像目标先验模型包含光学设计和数字处理设计所需的成像目标先验信息，包括物理先验信息、噪声先验信息、纹理先验信息、成像过程先验信息；用光学设计和数字处理联合对光学像差进行修正属于数学的逆问题，成像目标先验信息为求解这个逆问题提供了约束条件，成像目标先验模型设计参数集合表示为ΩTarget；(3)建立光学成像系统模型光学成像系统包括光学子系统和探测器子系统，光学子系统为光学镜头，探测器子系统为CCD或COMS传感器；光学子系统设计首先要根据步骤(1)决定通过光学设计着重修正哪些像差，在像差确定后就能够建立光学子系统和探测器子系统的模型，如下：目标场景x发出的光线经光学子系统后得到的结果yoptic表示成空间变化的卷积积分：yoptic＝∫x(t-τ)hoptic(t,τ)dτ(1)其中，t表示图像的空间位置，τ为卷积松弛变量，hoptic表示由像差引起的光学系统点扩散函数，hoptic可以通过光线追迹方法测量光程差函数OPD(p,t)波前分布获得，即光学系统的像差表示为真实波前和理想波前的光程差：hoptic(t,τ)＝|∫A(p)expj[OPD(p,t)+2πτp]dp|2(2)其中，p表示光学系统出瞳平面的二维坐标，A(p)表示出瞳的幅值，光学子系统的优化就是改变光学参数使光学子系统出瞳(OPD)函数平方均值最小，OPD函数由光学像差决定，反射式光学镜头一般不考虑色差，因此，OPD函数由离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差决定，而像差由光学子系统的设计参数决定，这些参数包括光学镜片数量、镜片材质、镜片大小、镜片曲率半径、镜片间的空气间隔，用ΩOptic来表示这些设计参数组成的集合；结合步骤(2)中的成像目标先验信息，根据成像过程先验信息约束光学像差造成的清晰度损失，从而约束光学子系统设计参数ΩOptic，在成像目标先验信息约束下的光学子系统传递函数表示为：探测器子系统的作用是对光学子系统的光学信息进行数字化采集，其性能由探测器子系统传递函数决定：其中，ωs为探测器采样频率；为探测器方形像元的相对宽度；探测器设计参数包括探测器的像元数量、像元大小、像元形状、填充因子、量子效率，用ΩSensor来表示这些设计参数组成的集合；结合步骤(2)中的成像目标先验信息，根据噪声先验信息约束探测器暗电流噪声，从而约束探测器子系统设计参数ΩSensor，在成像目标先验信息约束下的探测器子系统传递函数表示为：用H(ΩOptic,ΩSensor|ΩTarget)表示成像目标先验信息下的光学成像系统传递函数模型为：利用成像目标先验信息中噪声先验信息获得的噪声模型N(ΩTarget)和光学成像系统传递函数模型即可建立光学成像系统模型：Y＝H(ΩOptic,ΩSensor|ΩTarget)X+N(ΩTarget)(7)其中X表示无像差、无噪声的理想图像，Y表示光学成像系统的成像结果，即目标发出的光线经过光学子系统后在探测器子系统上采集到的数字图像；显然Y中通过H(ΩOptic,ΩSensor|ΩTarget)包含了对像差对图像清晰度的影响，通过N(ΩTarget)包含了噪声对清晰度的影响；(4)建立数字处理系统模型数字处理系统的目的是要降低步骤(3)中像差和噪声对图像清晰度的影响，数字处理系统由平滑滤波器和锐化滤波器构成，用于补偿光学成像系统的遗留像差；平滑滤波器用于降低噪声对图像的影响，锐化滤波器用于降低像差对图像的影响；数字图像处理中平滑滤波和锐化滤波是相互矛盾的，在数字处理系统设计时必须同时考虑这两种损失，以使像差修正效果达到最优，用ΩDigital来表示平滑滤波器...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭政，方煜，张金刚，相里斌，吕群波，付强，杜述松，白杨，丛林骁，孙建颖，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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