[發明專利]一種數字成像系統的光學和數字聯合設計方法

有效

• 申請號: 201510030481.5
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104570344B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 相里斌;張金剛;譚政;方煜;呂群波;杜述松;付強;孫建穎;白楊;叢林驍
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電研究院
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 成金玉,孟卜娟

技術領域

本發明涉及一種數字成像系統的光學和數字聯合設計方法。

背景技術

隨著電子技術和材料工藝的飛速發展，成像系統經已經由鹵化銀膠片成像式發展為數字成像，現在傳統的數字成像系統主要由光學系統和探測器系統組成，目標通過光學系統成像在CCD或COMS探測器上形成數字圖像，人們再針對應用需求利用圖像處理算法對數字圖像進行或多或少的修正，而數字圖像處理對于傳統的數字成像系統來說并非是必要的組成部分，這樣，就一定意義上失去了所謂“數字”成像的特點，并沒有完全的挖掘出數字成像的全部優點。

傳統的數字成像系統設計方法主要分為兩個步驟：第一步，用基于光線追跡的方法對光程差函數(或者波像差)進行優化來設計光學系統。光程差函數(或者波像差)是光學系統優化設計首要考慮的因素，其可以通過離焦、畸變、像散、慧差、場曲、球差、色差來表示，光學系統設計就是要平衡這些像差，使鏡頭出瞳光程差函數平方的均值最小，來滿足成像系統設計要求。第二步，在光學系統設計完畢后，需要根據需求對光學系統的成像結果進行數字處理來提高圖像的視覺效果，主要包括提高信噪比、提高對比度等?？偟膩碚f傳統的設計方法是一種順序隊列式的設計，光學設計和數字處理相互獨立。

傳統設計方法使光學系統設計的優劣成為決定成像質量的唯一環節，為了“完美”校正像差，光學鏡頭通常需要多片鏡片構成，鏡片的曲率也可能是非球面的，這導致鏡頭加工、裝調、檢測異常困難，使成像系統體積重量大、研發周期漫長、成本高昂。然而，不管鏡片數量再多、曲率再復雜也遠不及各個級次像差的數量，每種像差仍會有一定的殘留，影響成像的清晰度。另外，盡管可以通過銳化提高對比度和平滑提高信噪比的數字處理方式來提高圖像的清晰度，但是提高信噪比和提高對比度相互制約、難以兼顧，圖像平滑使鄰域內像素灰度值相加取平均必然降低對比度，圖像銳化引入卷積算法必然會使噪聲放大或引入新的噪聲。并且光學設計和數字處理設計在設計上相互獨立，不成體系。

因此，需要對傳統設計方法進行改進，使光學系統設計和數字信號處理有機結合，為簡化數字成像系統提供一種解決途徑。

發明內容

本發明技術解決問題：提供一種使光學設計和數字處理相互聯系的數字成像系統設計方法，使數字處理能夠有效的補償光學系統的遺留像差，實現光學設計和數字處理設計的聯合迭代優化，用數字處理分擔光學系統的壓力，一定程度上降低了光學系統的復雜度。

本發明技術解決方案：一種數字成像系統的光學和數字聯合設計方法，實現步驟如下：

(1)建立成像目標的先驗模型

成像目標先驗模型包含光學設計和數字處理設計所需的成像目標先驗信息，主要包括物理先驗信息、噪聲先驗信息、紋理先驗信息、成像過程先驗信息。

(11)物理先驗信息：功率譜密度函數反應了目標空間頻率的變化范圍，具體可以參考現有技術得以理解，在此不做贅述。(P.D.Welch.The?use?of?fast?Fourier?transforms?for?the?estimation?of?power?spectra:A?method?based?on?time?averaging?over?short?modified?periodograms.IEEE?Transactions?on?Audio?and?Electroacoustics?15,70-73(1967).)；

(12)噪聲先驗信息：噪聲是一個隨機過程,噪聲灰度值是一個隨機向量,按照其統計特性可分為：高斯噪聲、Gamma噪聲、泊松噪聲、瑞利噪聲。在空間域,噪聲灰度值是隨機跳變的；在頻率域,噪聲信息在高頻段，具體可以參考現有技術得以理解，在此不做贅述。(Rafael?C.Gonzalez?and?Richard?E.Woods.Digital?image?Processing.3rd?Edition.Prentice?Hall?PTR,2007.)；