[發(fā)明專利]一種基于LCOS空間光調(diào)制器的可編程孔徑成像系統(tǒng)及超分辨方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710712019.2
• 申請日: 2017-08-18
• 公開（公告）號: CN107395933B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 左超;盧林芃;陳錢;孫佳嵩;闞升晨;張佳琳;李加基;顧國華;張玉珍
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;H04N5/232;G02B27/58
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算成像技術(shù)，特別是基于LCOS空間光調(diào)制器的可編程孔徑成像系統(tǒng)及超分辨方法。

背景技術(shù)

雖然現(xiàn)有的光電成像技術(shù)已取得巨大進(jìn)步，并獲得一系列的優(yōu)異成果，然而，無論是高價(jià)專業(yè)數(shù)碼相機(jī)還是低廉手機(jī)攝像頭，都未突破傳統(tǒng)的“小孔成像”方式，仍為基于透鏡式“所見即所得”的成像模式，雖然這種模式原理簡單，操作易行，但是仍然存在難以逾越的局限——圖像像素化。現(xiàn)有的光電成像系統(tǒng)，在信息獲取、具體功能、性能指標(biāo)等方面，皆受限于探測器工藝水平及制作成本。通常而言，解決圖像像素化問題的最直接方法即為提高探測器陣列密度以提高分辨率。但實(shí)際上，由于受到探測器制作工藝的限制，目前探測器尺寸水平已達(dá)物理極限，因此若想再通過此法來減少圖像像素化問題，是非常困難的。同時(shí)，即使在不考慮成本的前提下實(shí)現(xiàn)了像元尺寸的進(jìn)一步減小，然而由于光通量下降帶來了靈敏度降低的問題，使得原本微弱的光信號愈加摻雜在嚴(yán)重的噪聲中，導(dǎo)致信噪比更低，后期更加難于補(bǔ)償。

為了突破由CCD探測器幾何尺寸造成的分辨率限制，近年來，研究人員提出了多種超分辨成像技術(shù)(代少升、張德洲、崔俊杰等：基于微掃描的紅外超分辨率成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體光電,2017,38(1):103-106.)。超分辨率成像技術(shù)能在不改變設(shè)備硬件條件的情況下，利用多幀圖像間的互補(bǔ)信息提高圖像空間分辨率，常見的方法是亞像素掃描超分辨成像法(Peleg S,Keren D,Schweitzer L. Improving image resolution using subpixel motion[J].Pattern recognition letters, 1987,5(3):223-226.)，它可實(shí)現(xiàn)多幀同一場景下互有亞像素級位移圖像的采集，從而優(yōu)化最終成像質(zhì)量。但這種方法需要額外的運(yùn)動(dòng)部件或是擺鏡，系統(tǒng)十分復(fù)雜；并且由此重建高分辨率圖像是一個(gè)非常困難的過程。如此一來，實(shí)驗(yàn)條件要求非常苛刻，實(shí)驗(yàn)可操作性差。2005年，Solomon J等人提出了在成像系統(tǒng)的傅里葉平面放置一個(gè)掩模，這個(gè)掩模對物頻譜進(jìn)行編碼成像之后再對像頻譜進(jìn)行解碼(Solomon J,Zalevsky Z,Mendlovic D.Geometric superresolution by code division multiplexing[J].Applied optics,2005,44(1):32-40.)。雖然加掩模的方法可以克服由CCD兩相鄰素中心間距離引起的頻譜混疊問題，但該方法忽略了CCD像素大小，將CCD像素看成理想的點(diǎn)，并沒有解決由CCD每個(gè)像素的大小和形狀引起的低通效應(yīng)問題(劉晶丹,許廷發(fā),荀顯超,等.光學(xué)掩模實(shí)現(xiàn)幾何超分辨成像的仿真[J].光學(xué)精密工程,2014,22(8):2026-2031.)。2013年，劉海英等人提出了利用數(shù)字微鏡陣列(DMD)實(shí)現(xiàn)超分辨重構(gòu)，但是DMD器件存在“衍射光柵效應(yīng)”，影響超分辨效果(劉海英,李云松,吳成柯.一種數(shù)字微鏡陣列分區(qū)控制和超分辨重建的壓縮感知成像法[J].光子學(xué)報(bào),2013,43(5):510002-0510002.)。所以如何在不使用任何機(jī)械掃描裝置的前提下實(shí)現(xiàn)超越成像探測器分辨率限制的高分辨率成像成為了必須克服的一個(gè)技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種可基于LCOS空間光調(diào)制器的可編程孔徑成像系統(tǒng)及超分辨方法，既能降低相機(jī)所需的曝光時(shí)間，提高系統(tǒng)的圖像采集速度，又能抑制噪聲，提高系統(tǒng)采集的圖像質(zhì)量。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于LCOS空間光調(diào)制器的可編程孔徑成像系統(tǒng)及其利用該系統(tǒng)進(jìn)行超分辨重構(gòu)方法，該系統(tǒng)包括空間光調(diào)制器、光分束器、透鏡二、相機(jī)、透鏡一、成像主透鏡組，所述的透鏡二、光分束器及透鏡一構(gòu)成4f系統(tǒng)反射式光路結(jié)構(gòu)，光分束器與透鏡二、透鏡一的夾角均為 45°，透鏡二、透鏡一分別與光分束器的距離相等；將成像主透鏡組的孔徑平面成像到空間光調(diào)制器上，空間光調(diào)制器處于透鏡一的后焦面上，空間光調(diào)制器同時(shí)也處于透鏡二的前焦面；相機(jī)位于4f系統(tǒng)透鏡二的后焦面；

所述空間光調(diào)制器、相機(jī)與成像主透鏡組分別固定安裝在光學(xué)平臺上，在調(diào)節(jié)成像主透鏡組的焦距時(shí)，相機(jī)與空間光調(diào)制器相對于成像主透鏡組的位置保持不變，主透鏡組對物體成像的一級像面落在透鏡一的前焦面上。