波前编码成像系统及基于单幅图像放大的超分辨处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学领域，涉及一种波前编码成像系统及基于单幅图像放大的超分辨 处理方法，尤其涉及一种应用波前编码技术的大焦深成像系统以及针对波前编码成像系统 的超分辨率图像处理方法。
【背景技术】
[0002] 扩展光学系统的焦深一直都是学术界研宄的热点，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。
[0003] 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：
【主权项】
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. 22_ ;所述第一镜片的后表面的曲率半径是234_，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. Omm ; 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. 95_ ;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. 42_ ;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. 22_ ;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. Omm ; 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. Omm ;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. Omm ; 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. Omm ; 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] 〇
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50臟，相对孔径1 :4· 5,全视场角约是10°，工作谱段480um~680um〇
4. 一种基于如权利要求1-3任一权利要求所述的波前编码成像系统的基于单幅图像 放大的超分辨处理方法，其特征在于：所述基于单幅图像放大的超分辨处理方法包括以下 步骤： 1)选定超分辨所希望得到的传感器实际像元的大小Pmw，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，即所述比例系数就是目 标图像的放大倍数，所述目标图像的放大倍数是S = [P/PnOT]， 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采用最邻近插值 的方法均放大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δ 2倍； 3) 利用权利要求1-3任一权利要求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_ ic；al; 4) 根据目标图像的放大倍数δ，通过反向填充重采样，利用Psftjptical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 ealc;ulated; 5) 以Psfealeulated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S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。
5. 根据权利要求4所述的基于单幅图像放大的超分辨处理方法，其特征在于：所述步 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 tjptical 的方式是由光学系统设计软件导出。
6. 根据权利要求4或5所述的基于单幅图像放大的超分辨处理方法，其特征在于：所 述放大倍数不大于4。
【专利摘要】一种波前编码成像系统及基于单幅图像放大的超分辨处理方法，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。本发明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及基于单幅图像放大的超分辨处理方法。
【IPC分类】G02B5-30, G02B27-46, G02B27-58, G02B26-06, G02B27-00
【公开号】CN104834088
【申请号】CN201510166370
【发明人】赵惠, 刘美莹, 解晓蓬, 樊学武
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月9日