一种扩展光学成像景深的方法及系统技术方案

本发明专利技术属于计算光学成像领域，尤其涉及一种扩展光学成像景深的方法及系统。该方法只需将薄散射介质置于原始光学成像系统的出瞳处与成像面之间，利用薄散射介质对出瞳处的成像波前进行随机相位调制，利用图像探测器得到散斑图像，再利用预设散斑相关方法对散斑图像进行重建计算，即可得到大景深图像，因此该方法不需要复杂的工艺精度设计，方法简单，大大降低了工艺成本。

【技术实现步骤摘要】
一种扩展光学成像景深的方法及系统
本专利技术属于计算光学成像领域，尤其涉及一种扩展光学成像景深的方法及系统。
技术介绍
大景深一直以来就是成像系统的研究热点之一，对成像系统而言，大的景深意味着同一画面中有更多的清晰景物，意味着更多的可测控、监控对象。增大景深的方法很多。例如：(1)对于普通光学成像系统而言，最方便的增大景深的方法就是缩小孔径光阑的通光口径，但是随着孔径的缩小，输出的成像光能量急剧衰减，并且系统的截止频率也会随之下降，从而导致成像质量下降。(2)采用环行透镜也是一种可行的增大景深的方法，但是这种方法对光学系统性能要求较高。(3)还有系列离焦图像合成法，即对同一拍摄对象用不同焦距获得多幅图像，然后由数字处理技术分析合成一幅大景深图像。然而，上述几种增大景深的方法都存在自身的弊端，因此目前业内较为常用的方法是基于相位掩膜板波前编码方法进行的改良。1995年，美国科罗拉多大学的科学家Dowski和Cathey提出了相位掩膜板波前编码方法，并成功将之应用于显微系统等小场景测试系统中。该方法的基本原理是在光学系统的光瞳面插入一块特殊的三次相位掩模板，对光学系统的波前进行调制，使得在较大的景深范围内，其光学传递函数(opticaltransferfunction，OTF)或者点扩散函数(pointspreadfunction，PSF)不变、或对物距变化不敏感，从而在探测器上形成差异极小的模糊的中间成像，并且这些中间图像可以通过数字滤波的手段恢复成清晰的最终成像。随后，基于上述相位掩膜板波前编码方法，众多研究者又相继设计出了多种相位掩膜板调制波前获得大景深的方法。但是，这一类方法需要精心设计和制作出相位掩膜板，相位模扳的加工属于自由曲面加工范围，需要根据相位的要求进行逐点加工，相位模板曲面上每一个点的厚度不同造成的较大的加工难度，同时，该类方法需要光路的准确对准，倾斜和横移均会影响景深效果。因此，该类方法要求的精确度高、工艺复杂且成本较高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种扩展光学成像景深的方法及系统，旨在解决现有的增大景深的方法精确度要求高、工艺复杂且成本较高的问题。为解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的，本专利技术提供了一种扩展光学成像景深的方法，所述方法包括：将薄散射介质置于原始光学成像系统的出瞳处与成像面之间，所述薄散射介质对所述出瞳处的成像波前进行随机相位调制，利用图像探测器对所述成像面进行记录，得到散斑图像；利用预设散斑相关方法对所述散斑图像进行重建计算，得到大景深图像。进一步地，所述利用预设散斑相关方法对所述散斑图像进行重建计算，得到大景深图像具体包括：对所述散斑图像进行自相关计算，得到所述散斑图像的自相关分布；按照预设中间区域范围，截取所述散斑图像的自相关分布的中间部分，对所述中间部分进行傅里叶变换运算并取模，得到功率谱；利用预设迭代相位恢复算法对所述功率谱进行物面恢复计算，得到所述大景深图像。进一步地，所述散斑图像的自相关计算公式如下：其中，Ac(x,y)表示散斑图像I(x,y)的自相关分布，FT{}表示傅里叶变换，||2表示模平方运算，FT-1{}表示逆傅里叶变换；所述按照预设中间区域范围，截取所述散斑图像的自相关分布的中间部分，对所述中间部分进行傅里叶变换运算并取模，得到功率谱具体包括：利用窗函数W(x,y)截取所述散斑图像的自相关分布的中间部分，对所述中间部分进行傅里叶变换运算并取模，得到功率谱，相关公式如下：E(kx,ky)＝|FT{Ac(x,y)W(x,y)}|(2)。进一步地，所述利用预设迭代相位恢复算法对所述功率谱进行物面恢复计算，得到所述大景深图像包括：对第k次迭代的输入gk(x,y)进行傅里叶变换，得到第k次迭代的频域复振幅分布其中，定义空域中的一随机猜测g1(x,y)作为所述预设迭代相位恢复算法的第1次迭代的输入，(x,y)表示空域坐标，(kx,ky)表示频域坐标，|Gk(kx,ky)|表示第k次迭代的频域振幅，表示第k次迭代的频域相位；将所述功率谱E(kx,ky)求算数平方根得到频谱振幅将频谱振幅作为约束条件，对所述第k次迭代的频域复振幅分布进行约束修正，得到修正后的第k次迭代的频域对所述修正后的第k次迭代的频域复振幅分布进行逆傅里叶变换，以得到第k次迭代的输出g′k(x,y)；对所述第k次迭代的输出进行物面约束修正，以得到下一次迭代的输入，物面约束条件的具体计算公式如下：其中，gk+1(x,y)表示第k+1次迭代的输入，β表示预设反馈系数，g′k(x,y)表示第k次迭代的输出，gk(x,y)表示第k次迭代的输入，S1表示非零元素个数的估计值，S2表示物面几何支撑的区域估计值；当所述迭代次数达到预设迭代次数时，退出迭代，并将最后一次迭代的输出作为所述大景深图像。进一步地，所述薄散射介质置于原始光学成像系统的出瞳处与成像面之间的任意位置。为了解决上述技术问题，本专利技术还提供了一种扩展光学成像景深的系统，所述系统包括：散斑图像获取模块，用于将薄散射介质置于原始光学成像系统的出瞳处与成像面之间，所述薄散射介质对所述出瞳处的成像波前进行随机相位调制，利用图像探测器对所述成像面进行记录，得到散斑图像；大景深图像获取模块，用于利用预设散斑相关方法对所述散斑图像进行重建计算，得到大景深图像。进一步地，所述大景深图像获取模块具体包括：自相关计算模块，用于对所述散斑图像进行自相关计算，得到所述散斑图像的自相关分布；功率谱计算模块，用于按照预设中间区域范围，截取所述散斑图像的自相关分布的中间部分，对所述中间部分进行傅里叶变换运算并取模，得到功率谱；迭代相位恢复计算模块，用于利用预设迭代相位恢复算法对所述功率谱进行物面恢复计算，得到所述大景深图像。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术提供了一种扩展光学成像景深的方法，该方法只需将薄散射介质置于原始光学成像系统的出瞳处与成像面之间，利用薄散射介质对出瞳处的成像波前进行随机相位调制，利用图像探测器得到散斑图像，再利用预设散斑相关方法对散斑图像进行重建计算，即可得到大景深图像，因此该方法不需要复杂的工艺精度设计，方法简单，大大降低了工艺成本。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种扩展光学成像景深的方法流程图；图2是本专利技术实施例提供的一种扩展光学成像景深的方法的光路示意图图；图3是本专利技术实施例提供的一种扩展光学成像景深的方法仿真数据示意图；图4是本专利技术实施例提供的一种扩展光学成像景深的方法中步骤S102的细节示意图；图5是本专利技术实施例提供的一种扩展光学成像景深的方法中预设迭代相位恢复算法流程图；图6是本专利技术实施例提供的一种扩展光学成像景深的系统示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。作为本专利技术的第一个实施例，如图1所示，本专利技术提供的一种扩展光学成像景深的方法，该方法包括：步骤S101：将薄散射介质置于原始光学成像系统的出瞳处与成像面之间，该薄散射介质对出瞳处的成像波前进行随机相位调制，用图像探测器对成像面进行记录，得到一幅散斑图像。步骤S102：利用预设散斑相关方法对散斑图像进行重建计算，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扩展光学成像景深的方法，其特征在于，所述方法包括：将薄散射介质置于原始光学成像系统的出瞳处与成像面之间，所述薄散射介质对所述出瞳处的成像波前进行随机相位调制，利用图像探测器对所述成像面进行记录，得到散斑图像；利用预设散斑相关方法对所述散斑图像进行重建计算，得到大景深图像。

【技术特征摘要】
1.一种扩展光学成像景深的方法，其特征在于，所述方法包括：将薄散射介质置于原始光学成像系统的出瞳处与成像面之间，所述薄散射介质对所述出瞳处的成像波前进行随机相位调制，利用图像探测器对所述成像面进行记录，得到散斑图像；利用预设散斑相关方法对所述散斑图像进行重建计算，得到大景深图像。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用预设散斑相关方法对所述散斑图像进行重建计算，得到大景深图像具体包括：对所述散斑图像进行自相关计算，得到所述散斑图像的自相关分布；按照预设中间区域范围，截取所述散斑图像的自相关分布的中间部分，对所述中间部分进行傅里叶变换运算并取模，得到功率谱；利用预设迭代相位恢复算法对所述功率谱进行物面恢复计算，得到所述大景深图像。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述散斑图像的自相关计算公式如下：其中，Ac(x,y)表示散斑图像I(x,y)的自相关分布，FT{}表示傅里叶变换，||2表示模平方运算，FT-1{}表示逆傅里叶变换；所述按照预设中间区域范围，截取所述散斑图像的自相关分布的中间部分，对所述中间部分进行傅里叶变换运算并取模，得到功率谱具体包括：利用窗函数W(x,y)截取所述散斑图像的自相关分布的中间部分，对所述中间部分进行傅里叶变换运算并取模，得到功率谱，公式如下：E(kx,ky)＝|FT{Ac(x,y)W(x,y)}|(2)。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用预设迭代相位恢复算法对所述功率谱进行物面恢复计算，得到所述大景深图像包括：对第k次迭代的输入gk(x,y)进行傅里叶变换，得到第k次迭代的频域复振幅分布其中，定义空域中的一随机猜测g1(x,y)作为所述预设迭代相位恢复算法的第1次迭代的输入，(x,y)表示空域坐标，(kx,ky)表示频域坐标，|Gk(kx,ky)|表示第k次迭代的频域振幅，表示第k次迭代的频域相位；将所述功率谱E(kx,ky)求算数平方根得到频谱振幅将频谱振幅作为约束条件，对所述第k次迭代的频域复振幅分布进行约束修正，得到修正后的第k次迭代的频域复振幅分布对所述修正后的第k次迭代的频域复振幅分布进行逆傅里叶变换，以得到第k次迭代的输出g′k(x,y)；对所述第k次迭代的输出进行物面约束修正，以得到下一次迭代的输入，物面约束条件的具体计算公式如下：其中，gk+1(x,y)表示第k+1次迭代的输入，β表示预设反馈系数，g′k(x,y)表示第k次迭代的输出，gk(x,y)表示第k次迭代的输入，S1表示非零元素个数的估计值，S2表示物面几何支撑的区域估计值；当所述迭代次数达到预设迭代次数时，退出迭代，并将最后一次迭代的输出作为所述大景深图像。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述薄散射介质置于原始光学成...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭翔，廖美华，卢大江，何文奇，刘晓利，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44