[發(fā)明專利]一種反射式數(shù)字成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410814461.2
• 申請(qǐng)日: 2014-12-23
• 公開（公告）號(hào): CN104483752A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚政;方煜;張金剛;相里斌;呂群波;付強(qiáng);杜述松;白楊;叢林驍;孫建穎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院光電研究院
• 主分類號(hào): G02B27/00
• 分類號(hào): G02B27/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種反射式數(shù)字成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

隨著電子技術(shù)和材料工藝的飛速發(fā)展，反射式成像系統(tǒng)經(jīng)已經(jīng)由鹵化銀膠片成像式發(fā)展為數(shù)字成像，并因其適用于長(zhǎng)焦距、大口徑、波長(zhǎng)無(wú)選擇性的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于氣象觀測(cè)，資源調(diào)查，環(huán)境監(jiān)測(cè)，海洋遙感，空間攝影測(cè)量，偵察和預(yù)警，行星恒星等空間物理現(xiàn)象觀測(cè)，空間目標(biāo)搜索等領(lǐng)域，如圖1所示，成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)通常由主鏡、次鏡、校正鏡組組成，顯然校正鏡的加入使得傳統(tǒng)的純反射式系統(tǒng)變?yōu)榱苏鄯瓷涫较到y(tǒng)，目標(biāo)通過光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD或COMS探測(cè)器上形成數(shù)字圖像，人們?cè)籴槍?duì)應(yīng)用需求利用圖像處理算法對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行或多或少的修正，而數(shù)字圖像處理對(duì)于傳統(tǒng)的反射式數(shù)字成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并非是必要的組成部分，這樣，在數(shù)字處理迅猛發(fā)展的今天，就一定意義上失去了所謂“數(shù)字”成像的特點(diǎn)，并沒有完全的挖掘出數(shù)字成像的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。

反射式光學(xué)系統(tǒng)一般不考慮色差的影響，光學(xué)系統(tǒng)主要針對(duì)離焦、畸變、像散、慧差、場(chǎng)曲、球差等單色光學(xué)像差進(jìn)行校正，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要分為兩個(gè)步驟：第一步，用基于光線追跡的方法對(duì)光程差函數(shù)(或者波像差)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)。光程差函數(shù)(或者波像差)是光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)首要考慮的因素，其可以通過離焦、畸變、像散、慧差、場(chǎng)曲、球差來(lái)表示，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是要平衡這些像差，使鏡頭出瞳光程差函數(shù)平方的均值最小，但是各種像差級(jí)次繁多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)量，導(dǎo)致每種像差都會(huì)有一定殘留，影響圖像清晰度。第二步，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，需要根據(jù)需求對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像結(jié)果進(jìn)行數(shù)字處理來(lái)提高圖像的視覺效果即成像清晰度，處理算法主要包括提高信噪比和提高對(duì)比度。總的來(lái)說(shuō)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是一種順序隊(duì)列式的設(shè)計(jì)，光學(xué)設(shè)計(jì)和數(shù)字處理設(shè)計(jì)相互獨(dú)立，其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

(1)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣成為決定成像質(zhì)量的唯一環(huán)節(jié)，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。為了“完美”校正像差，反射式系統(tǒng)通常都采用非球面，而非球面由于各點(diǎn)曲率半徑都不相同給加工帶了很大困難，同時(shí)它的檢測(cè)也不能用傳統(tǒng)的球面檢測(cè)方法，需要專門的輔助設(shè)備，這必然都帶來(lái)加工周期、成本的增加。另外，校正鏡組的引入削弱了反射式系統(tǒng)對(duì)成像波長(zhǎng)無(wú)選擇性的優(yōu)勢(shì)，降低了系統(tǒng)適用場(chǎng)合。

(2)數(shù)字處理提高圖像的清晰度主要包括提高信噪比和提高對(duì)比度，圖像信噪比表征了成像系統(tǒng)噪聲程度，目標(biāo)對(duì)比度表征了成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF影響。圖像數(shù)字處理中，平滑濾波可以提高圖像信噪比，銳化濾波可以提高對(duì)比度，然而提高信噪比和提高對(duì)比度相互制約、難以兼顧，圖像平滑必然降低對(duì)比度，圖像銳化引入卷積算法必然會(huì)使噪聲放大或引入新的噪聲。

(3)光學(xué)設(shè)計(jì)和數(shù)字處理設(shè)計(jì)相互獨(dú)立、不成體系。光學(xué)設(shè)計(jì)不考慮數(shù)字處理的需求，數(shù)字處理也不考慮光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)算法的影響，這使光學(xué)器件約束導(dǎo)致的光學(xué)設(shè)計(jì)的缺陷，和處理算法約束導(dǎo)致的數(shù)字處理設(shè)計(jì)的缺陷，兩者在最終的數(shù)字圖像上只能是相加或者放大，而無(wú)法相互抵消。

總之，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，即便光學(xué)系統(tǒng)和數(shù)字處理算法都已經(jīng)設(shè)計(jì)的“非常好”，但是，一個(gè)“最優(yōu)”的光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)“最優(yōu)”的數(shù)字處理算法的組合并非意味著一個(gè)“最優(yōu)”的數(shù)字成像系統(tǒng)，這樣的組合只能實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)的局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)字信號(hào)處理有機(jī)結(jié)合，為簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)提供一種解決途徑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種反射式數(shù)字成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過數(shù)字圖像處理算法校正光學(xué)像差，從而放寬對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，降低反射式數(shù)字成像系統(tǒng)的復(fù)雜度。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種反射式數(shù)字成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)分析像差對(duì)成像清晰度損失的影響

在反射式光學(xué)系統(tǒng)由于光學(xué)設(shè)計(jì)、光學(xué)材料、光學(xué)加工裝調(diào)等限制引起的光學(xué)像差有：離焦、畸變、像散、慧差、場(chǎng)曲、球差。根據(jù)波像差理論和澤尼克多項(xiàng)式，能夠得到當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)僅含有一種單色像差時(shí)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，對(duì)離焦、畸變、像散、慧差、球差、場(chǎng)曲的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分別做傅里葉變換再取模值即可得到每種像差的調(diào)制傳遞函數(shù)，而調(diào)制傳遞函數(shù)能夠更直觀的表示出各個(gè)單色像差對(duì)成像清晰度的影響，如圖2所示，表示當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)僅含有一種單色像差時(shí)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，且每種像差引起的波相差值均相等。