一种单透镜长波红外成像器及其图像处理方法与流程

1.本技术涉及计算成像技术领域，尤其涉及一种单透镜长波红外成像器及其图像处理方法。


背景技术：

2.随着军事侦察、无人驾驶、安防监控以及灾难救援等光电设备的快速发展，对高质量图像的需求日益增加。目前光学系统主要通过增加镜片数量或者使用特殊面型来提升系统成像质量；
3.但是其在提高系统成像质量的同时，增加了系统整体的体积、重量及成本，与小型化、轻量化及低成本的设计需求相互矛盾；
4.为解决成像系统小型化、轻量化及低成本的问题，本技术提出一种单透镜长波红外成像器及其图像处理方法。


技术实现要素：

5.本技术的目的是针对以上问题，提供一种单透镜长波红外成像器及其图像处理方法。
6.第一方面：
7.本技术提供一种单透镜长波红外成像器，包括：
8.单透镜成像光学镜头，所述单透镜成像光学镜头为双非球面镜片；
9.长波红外探测器，所述长波红外探测器为面阵探测器，像元规模为640
×
512，所述单透镜成像光学镜头与所述长波红外探测器相连；所述长波红外探测器上设有预处理电路板，所述预处理电路板上具有信息处理单元；
10.所述信息处理单元配置用于将所述单透镜长波红外成像器所拍摄的低分辨率的图像恢复为高分辨率图像。
11.根据本技术实施例提供的技术方案，所述双非球面镜片的个数为一个。
12.根据本技术实施例提供的技术方案，所述双非球面镜片包括前表面与后表面，所述前表面为第一非球面，所述第一非球面的系数为a＝-5.101660
×
10-7
，b＝1.837840
×
10-11
，c＝-3.707620
×
10-13
，d＝-4.637340
×
10-17
，其半径范围为109mm～110mm，通光口径范围为φ70.5mm～φ71.5mm；所述后表面为第二非球面，所述第二非球面的系数为a＝-5.155260
×
10-7
，b＝1.321300
×
10-10
，c＝-7.104970
×
10-13
，d＝1.814090
×
10-16
，半径范围为212.5mm～213.5mm，其通光口径范围为φ70.5mm～φ71.5mm。
13.根据本技术实施例提供的技术方案，所述双非球面镜片的中心厚度范围为9.5mm～10.5mm。
14.根据本技术实施例提供的技术方案，所述双非球面镜片的光学材料为锗。
15.第二方面：
16.本技术还提供一种单透镜长波红外成像器及其图像处理方法，所述方法包括如下
步骤：
17.使用带有所述双非球面镜片的所述单透镜长波红外成像器对景物进行拍摄，得到原始图像，所述原始图像为低分辨率图像；
18.将所述原始图像与所述双非球面镜片的psf输入信息处理单元，所述信息处理单元内置有admm算法；
19.利用所述admm算法和所述psf对所述原始图像进行恢复。
20.与现有技术相比，本技术的有益效果：本技术所使用的光学镜头为双非球面镜片，该双非球面镜片与长波红外探测器相连接，在该波红外探测器上设有处理电路板，在处理电路板上还设有信息处理单元，信息处理单元主要是用于对单透镜长波红外成像器所拍摄出的原始图像进行恢复，使其分辨率提高；在使用过程中，使用基于双非球面镜片的单透镜长波红外成像器对景物进行拍摄，将拍摄出的图片输入信息处理单元中进行处理，处理之后的图像即为高分辨率的图像；本技术基于“光学——图像”一体化的设计思路，通过采用单片双非球面透镜作为光学镜头并与图像处理算法相结合的方式替代现有技术中通过多片透镜和多种光学材料组合设计光学镜头的方式，使得整个红外成像系统的体积减小30％以上、重量减轻40％以上、成本降低40％以上；使用该长波红外成像器对景物进行拍摄，将拍摄后的图片输入到信息处理单元中进行处理恢复，处理恢复后的图像空间分辨率可达到红外探测器的截至频率，其在8μm～12μm波段下的光学系统总效率可达到93％以上。
附图说明
21.图1为本技术实施例提供的单透镜长波红外成像器的原理示意图；
22.图2为一种单透镜长波红外成像器的光学传递函数值图；
23.图3为一种单透镜长波红外成像器的图像处理流程图。
24.图中所述文字标注表示为：
25.1、单透镜成像光学镜头；3、信息处理单元。
具体实施方式
26.为了使本领域技术人员更好地理解本技术的技术方案，下面结合附图对本技术进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本技术的保护范围有任何的限制作用。
27.实施例一
28.本技术提供一种单透镜长波红外成像器，其工作波段为8μm～12μm，对角线视场为12
°
，焦距的参数为f＝70mm，f数为1.0；
29.请参考图1-图3，本实施例提供一种单透镜长波红外成像器，包括：
30.单透镜成像光学镜头1，所述单透镜成像光学镜头1为双非球面镜片；
31.长波红外探测器，所述长波红外探测器为面阵探测器，像元规模为640
×
512，所述单透镜成像光学镜头1与所述长波红外探测器相连；所述长波红外探测器上设有处理电路板，所述处理电路板上具有信息处理单元3；
32.所述信息处理单元3配置用于将所述单透镜长波红外成像器所拍摄的低分辨率原始图像恢复为高分辨率图像。
33.具体的，在本实施例中，所述单透镜成像光学镜头1所使用的是双非球面镜片；所述长波红外探测器为面阵探测器，该所述面阵探测器的像元规模为640
×
512，所述单透镜成像光学镜头1的镜筒上设有连接接口，该所述连接接口与所述单透镜长波红外探测器相对接，并使用螺钉的方式固定在一起；在所述长波红外探测器上还设有处理电路板，在所述处理电路板上具有信息处理单元3，所述信息处理单元3配置用于将所述单透镜长波红外成像器对外界景物进行拍摄所得到的低分辨率的图像恢复为高分辨率的图像。
34.进一步的，所述双非球面镜片的个数为一个。
35.具体的，在本实施例中，所述双非球面镜片的个数为一个，使用一个所述双非球面镜片，在保证对所拍摄图像的质量之外，同时还降低了系统的重量、体积以及成本。
36.进一步的，所述双非球面镜片包括前表面与后表面，所述前表面为第一非球面，所述第一非球面的系数为a＝-5.101660
×
10-7
，b＝1.837840
×
10-11
，c＝-3.707620
×
10-13
，d＝-4.637340
×
10-17
，其半径范围为109mm～110mm，通光口径范围为φ70.5mm～φ71.5mm；所述后表面为第二非球面，所述第二非球面的系数为a＝-5.155260
×
10-7
，b＝1.321300
×
10-10
，c＝-7.104970
×
10-13
，d＝1.814090
×
10-16
，半径范围为212.5mm～213.5mm，其通光口径范围为φ70.5mm～φ71.5mm。
37.具体的，在本实施例中，根据光路走向，规定图中所有的光学元件的左侧表面为前表面，右侧表面为后表面，所述前表面与所述后表面均为非球面，但所述前表面与所述后表面的参数不一样，所述前表面为第一非球面，所述第一非球面的系数为a＝-5.101660
×
10-7
，b＝1.837840
×
10-11
，c＝-3.707620
×
10-13
，d＝-4.637340
×
10-17
，其半径范围为109mm～110mm，通光口径范围为φ70.5mm～φ71.5mm；所述第二非球面的系数为a＝-5.155260
×
10-7
，b＝1.321300
×
10-10
，c＝-7.104970
×
10-13
，d＝1.814090
×
10-16
，半径范围为212.5mm～213.5mm，其通光口径范围为φ70.5mm～φ71.5mm。
38.进一步的，所述双非球面镜片的中心厚度范围为9.5mm～10.5mm。
39.具体的，在本实施例中，该范围是光学透镜中心厚度设计的约束范围。
40.进一步的，所述双非球面镜片的光学材料为锗。
41.具体的，在本实施例中，所述双非球面镜片之所以选择锗作为材料是因为锗材料在长波红外波段具有折射率高，透过性能好等特点，是常用的红外材料，本实施例中通过该材料的折射率与所述双非球面镜片的中心厚度、所述双非球面镜片的面型共同匹配，从而实现该单透镜光学镜头1的设计。
42.实施例二
43.本技术提供一种单透镜长波红外成像器及其图像的处理方法，所述方法包括如下步骤：
44.1、使用带有所述双非球面镜片的所述单透镜长波红外成像器对景物进行拍摄，得到原始图像，所述原始图像为低分辨率图像；
45.具体的，使用装有所述双非球面镜片的单透镜长波红外成像器对外界的景物进行拍摄，得到原始图像，所述原始图像为低分辨率的图像，所谓低分辨率是指看不清的模糊图像；
46.2、将所述原始图像与所述双非球面镜片的psf输入信息处理单元，所述信息处理单元内置有admm算法；
47.具体的，将拍摄所得到的所述原始图像与所述双非球面镜片的psf输入到信息处理单元中进行处理；所述信息处理单元中内置有admm算法，所述admm算法为现有技术，所述psf为点扩散函数，该函数为该领域的人员所熟知的，在此便不再赘述。
48.3、利用所述admm算法和所述psf对所述原始图像进行恢复；
49.所述admm算法为交替方向乘子法，该所述交替方向乘子法为现有技术，使用所述admm算法与所述双非球面镜片的psf对所述原始图像进行恢复，恢复之后形成第一图像。
50.4、利用相同光学参数的并通过现有技术设计的标准长波红外成像器拍摄相同景物的高分辨率参考图像；
51.使用现有的标准长波红外成像器对相同的所述景物进行拍摄，并且该现有的标准长波红外成像器的工作波段、对角线视场与f数与本技术中工作的条件一致，拍摄之后形成第二图像，所述第二图像的分辨率为高分辨率，所述高分辨率即为清楚的图像，将所述第一图像用作参考图像，该所述景物与装有双非球面镜片的成像器所拍摄的景物一致；
52.5、将所述第一图像与所述第二图像输入信息处理单元内设置的判别程序，基于ssim(结构相似度)评价方法进行相似度判别计算，若相似度大于95％则输出所述第二图像作为单透镜长波红外成像器的输出图像；
53.若判别相似度小于95％，则应该对所述admm算法与所述psf增加随机微扰来进行修正，该修正方法属于现有技术中的一种修正方法，在次不再赘述，并重新执行步骤3与步骤4，直至输出满足要求的恢复图像，即高分辨率的图像。
54.本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本技术的保护范围。