一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法与流程

本发明涉及波前探测和图像复原的技术领域，特别涉及一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法。

背景技术：

相位差法首先由Gonsalves R A提出，通过在待测波前中添加已知的离焦像差，根据得到的焦面光强分布和多幅位于不同离焦面的光强分布，基于最小二乘，采用GS算法可有效探测波前畸变，同时恢复受像差污染的模糊图像。该技术因结构简单、测量精度高以及对光源无特殊要求，在遥感和波前探测领域得到了广泛的应用，受到了国内外科研工作者的广泛关注和研究。例如美国亚利桑那光学中心、洛克希德-马丁公司下属实验室等国外科研机构相继搭建了实验平台对相位差技术进行研究，力图完善其算法性能并拓展其应用；在国内，中科院光电所自适应光学重点实验室也开展了相关研究，提出了多种改良的相位差波前探测器。

但是，目前相位差法仍然存在多种局限：相位差法本质上是一种基于图像的反演技术，需要根据采集的光强信息来提取波前信息和复原图像，作为先验信息而人为引入的像差势必会使图像丢失部分信息，从而影响波前探测的精度以及复原图像的质量，相位差法对波前畸变的探测能力因此受到制约；在对于分辨率有很高要求的应用领域，例如天文观测，成像系统的口径需要做得很大，常见CCD的像元尺寸很难满足奈斯奎特采样定律，在后端算法处理中往往需要做插值，从而影响相位差算法的复原精度；目前广泛应用的相位差波前探测和成像系统都需要额外的光学元件，常见的如分光镜和反射镜，特殊的如发明专利CN102331303使用的光栅，以及发明专利CN102564612B提出的组合棱镜，这些光学元件的使用可以保证图像采集的实时性、增强对高频像差的探测能力，却增加了系统的体积、复杂度和成本，并引入额外的系统误差以及未知像差，严重影响算法精度。

本发明提出一种基于叠层扫描的相位差新方法及装置，采用小孔径光阑进行空间调制来产生相位差异图像，没有引入额外像差，使原图像得以保留更多细节信息，小孔径光阑的使用，也使一般的CCD像素尺寸都可以满足光学系统要求的奈斯奎特采样频率，从而提高了波前探测的精度和图像复原的质量。另外，本发明无需离焦光路和额外的光学元件，具有光路紧凑、使用便捷、成本低廉等优点。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的问题和实现的复杂程度，本发明提出了一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法，该方法包含以下步骤：

第一步，将小孔径的光阑在成像系统的光瞳平面内以叠层扫描的方式进行平移，并用图像传感器依次记录下与各扫描位置所对应的受不同像差影响的子图像；

第二步，使用基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原算法对序列子图像进行处理，得到待测的畸变波前和复原的图像，处理算法流程如下：

1)根据极大似然估计或最小二乘优化理论建立目标函数E：

其中，Dk(fx,fy)是调制光阑处在第k个扫描位置时图像传感器采集的子图像的傅里叶变换，Hk(fx,fy)是调制光阑处在第k个扫描位置时对应的光学通道的光学传递函数，是Hk(fx,fy)的共轭，K为扫描的次数，fx，fy为像平面频域的坐标。

2)根据傅里叶光学，估计出第k个光学通道的点扩散函数，系统的波前相位分布可以由泽尼克多项式来表征：

其中Zn(u,v)表示第n阶泽尼克多项式，αn表示第n阶泽尼克多项式的系数；

3)目标函数E演变为关于变量αn的函数E(α)，采用诸如SPGD，遗传算法，模拟退火，神经网络等最优化算法寻找使目标函数最小的解，即可求得待测的波前畸变

4)根据求得的波前畸变，利用下式可以复原图像R：

其中，该方法利用的装置包括成像系统，空间调制单元，图像传感器和计算机；空间调制单元放置于成像系统的出瞳面上，图像传感器置于成像系统的像平面上，并输入到计算机中；成像目标发出的光波进入到成像系统中，受到空间调制单元的叠层调制后，在图像传感器上成像，该图像存储在计算机中，最后利用算法对所有子图像进行处理得到探测的波前以及恢复的图像。

其中，该方法需要对成像系统的光瞳平面进行叠层扫描的空间调制，用于调制的小孔径光阑在光瞳二维平面内依次平移一定的距离完成扫描，并保证相邻平移位置间光瞳平面上被光阑扫描的区域内存在一定的交叠，交叠部分对应的像差使采集的子图像含有部分相同的相位信息，而非交叠部分对应的像差则在采集的子图像中引入了相位差异。

其中，该方法子图像之间的相位差异隐藏在已知的扫描位置信息里，而不是引入的额外像差，因此，采集的子图像得以保留更多的细节信息，从而提高波前探测的范围和精度。

其中，该方法叠层扫描不仅可以由机械移动平台完成，也可以由数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)或者空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)等快速光学器件来完成，其相应速度也足够保证本发明对准静态像差的探测。

其中，该方法既适用于点光源也适用于扩展目标；既可以用于相干光成像也可以用于非相干光成像。

其中，该方法既可以用来探测波前畸变，也可以用来恢复图像。

本发明相对于现有方法，具有如下优点：

(1)相对于传统相位差法通过引入离焦量来产生不同的光学通道，本发明采用空间调制的方式得到含有相位差异的子图像，使图像得以保留更多细节信息。由于相位差法本质上是一种基于光强图像复原待测波前的间接波前探测技术，因此本发明能够对更大范围的波前畸变进行更为准确的测量，提高了相位差法的波前探测能力。

(2)本发明采用小孔径光阑对光瞳平面进行空间调制，使得一般的CCD像素尺寸都可以满足光学系统要求的奈斯奎特采样频率，保证了相位差算法的有效性，扩大了相位差法的应用领域。

(3)相对于传统相位差波前传感器的光路结构，本发明采用空间调制和相位差法相结合，以较小的时间代价消除了系统对其他光学元件的需求，避免引入额外的相位误差，使整套系统也更紧凑，成本更低廉，使用更方便。

附图说明

图1为基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原新方法的装置和原理示意图，其中，1为成像系统，2为空间调制单元，3为图像传感器，4为计算机；

图2为叠层扫描示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法，该方法的步骤如下：

(1)第一步，将小孔径的光阑在成像系统的光瞳平面内以叠层扫描的方式进行平移，并用图像传感器依次记录下与各扫描位置所对应的受不同像差影响的子图像。

所述叠层扫描是这样一种调制方式，用于扫描的小孔径光阑在光瞳二维平面内依次平移一定的距离完成调制，并保证相邻平移位置间光瞳平面上被光阑扫描的区域内存在一定的交叠。

叠层扫描不仅可以由机械移动平台完成，在对实时性有一定要求的应用领域，也可以由数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)或者空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)等快速调制光学器件来完成，其相应速度也足够保证本发明对准静态像差的探测。

子图像之间的相位差异隐藏在已知的调制信息里，而不是引入的额外像差：交叠部分对应的像差使采集的子图像含有部分相同的相位信息，而非交叠部分对应的像差则在采集的子图像中引入了相位差异。

(2)第二步，使用基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原算法对子图像进行处理，得到待测的畸变波前和复原的图像。处理算法流程如下：

1)根据极大似然估计或最小二乘优化理论建立目标函数E：

其中，Dk(fx,fy)是调制光阑处在第k个扫描位置时图像传感器采集的子图像的傅里叶变换，Hk(fx,fy)是调制光阑处在第k个扫描位置时对应的光学通道的光学传递函数，是Hk(fx,fy)的共轭，K为扫描的次数，fx，fy为像平面频域的坐标。

2)根据傅里叶光学，估计出第k个光学通道的点扩散函数，系统的波前相位分布可以由泽尼克多项式来表征：

其中Zn(u,v)表示第n阶泽尼克多项式，αn表示第n阶泽尼克多项式的系数。

3)因此，目标函数E演变为关于变量αn的函数E(α)，采用诸如SPGD，遗传算法，模拟退火，神经网络等最优化算法寻找使目标函数最小的解，即可求得待测的波前畸变4)根据求得的波前畸变，利用下式可以复原图像R：

实施例：

基于本发明波前探测和图像复原新方法的光学系统由成像系统1、空间调制单元2、图像传感器3和计算机4组成，整个系统的工作原理如图1所示：

其具体的工作过程为：

(1)将小孔径的光阑在成像系统1的光瞳平面内以叠层扫描的方式进行平移。叠层扫描如图2所示，用于扫描的小孔径光阑在光瞳二维平面内依次平移一定的距离完成调制，并保证相邻平移位置间光瞳平面上被光阑扫描的区域内存在一定的交叠。叠层扫描由空间调制单元2来完成，空间调制单元2可以是机械移动平台，也可以是数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)或者空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)等快速调制器件。

(2)图像传感器3依次记录下与各扫描位置所对应的受不同像差影响的子图像。

(3)在计算机4中，使用基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原算法对子图像进行处理，得到待测的畸变波前和复原的图像。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。只要是通过叠层扫描空间调制来产生不同光学通道并利用相位差算法进行处理的成像方法、装置和系统，均属于本发明的保护范围。