波前编码成像镜头点扩散函数 的x轴y轴与图像传感器的x轴y轴不能良好对应，那么就会在复原图像中产生强烈的伪信 息。因此，本实用新型所设计的相位掩膜板安装在一个具有机械旋动装置的夹持框上（如 图4所示），可以在0~90°的范围内实现相位掩膜板以光轴为中心的旋转。这一结构就 能够做到使相位板的两轴与图像传感器两轴的较为准确的对齐。
[0061] 任何一个成像镜头在经过良好的像差校正之后，其所具有的光学点扩散函数的支 持域将非常紧凑。此时，利用光学点扩散函数模拟经探测器采样后的系统点扩散函数时， 不同像元大小探测器所对应的结果之间的差异很小。然而，由于波前编码系统的光学点扩 散函数具有极大的支持域，所以像元大小的不同将产生截然不同的系统点扩散函数。像元 越小，采样点扩散函数就越接近光学点扩散函数。换句话说，像元越小，采样点扩散函数对 系统的描述就越精确。如图3(图3给出了与该波前编码成像镜头对应的、由光学设计软件 导出的光学点扩散函数通过模拟采样计算得到的对应于不同传感器物理像元大小（5. 2um， 3. 2um，2. 6um以及1. 7um)的采样点扩散函数）所示，通过模拟计算，由光学系统设计软件导 出的光学点扩散函数能够获得与不同大小像元传感器（5. 2um，3. 2um，2. 6um以及1. 7um)相 对应的采样点扩散函数。通过比较图3与图4(图4给出了该波前编码大焦深成像系统的 实物以及在平行光管下的经5. 2um像元大小图像传感器采样得到的实际点扩散函数），不 难发现，模拟产生的5. 2um像元对应的点扩散函数与平行光管下的实测点扩散函数具有很 高的相似度。因此，利用光学系统设计软件提取光学点扩散函数以后，就可以较为精确地计 算出经不同大小像元采样后的实际点扩散函数，该研宄结果就为不改变传感器硬件条件而 获得对应于更小像元的实际采样点扩散函数奠定了理论基础。
[0062]基于波前编码成像系统的这一特性，本实用新型提出的针对波前编码系统的超分 辨率处理流程如图5所示。首先，确定所希望得到的探测器物理像元大小，并通过与当前 传感器实际像元大小的比较获得目标图像的放大倍率。比如当前图像传感器的像元大小 是5. 2um，假设想要获得2. 6um传感器的成像效果，那么此时目标图像的放大倍率就等于 2。其次，由光学点扩散函数出发，通过模拟采样获得与具有所需像元大小的探测器对应的 实际采样点扩散函数。再次，将经相位板编码之后的模糊中间图像放大到相应的倍数。最 后，利用模拟计算获得的与更小像元探测器对应的实际采样点扩散函数，通过忙卷积结合 Richardson-Lucy算法对放大后的中间模糊图像进行复原重建，从而获得超分辨重建的效 果。
[0063]利用本实用新型提出的波前编码超分辨成像系统进行的外场试验时，解码之后的 图像非常清晰，而且场景中的边缘都显著地增强了，这是因为相位掩膜板在消除离焦敏感 性的同时也对系统的波前畸变起到了抑制作用，所以波前编码系统的滤波解码图像由于消 除了波前畸变带来的模糊退化而产生了场景增强的效果。利用图5所述的超分辨率重建 流程，其中4倍超分辨率的处理效果等价于由像元大小为1. 3um的图像传感器所捕获的图 像。可以看到，与单纯的放大相比，基于本实用新型所提出的超分辨处理时可以显著增强放 大后的效果，消除常规放大带来的锯齿效应，可以更加精确地对场景信息进行描述。这就证 明，本实用新型所提出的针对波前编码系统的超分辨处理流程是非常有效的。然而，考虑到 小像元带来的能量不足以及信噪比降低等问题，图5所示的超分辨处理流程所能够获得的 放大倍数是存在限制的。研宄表明，本实用新型所提出的超分辨率处理流程适用的放大倍 数一般不超过4。
【主权项】
1. 一种波前编码成像系统，包括波前编码成像镜头、1/3英寸图像探测器以及解码处 理单元，所述波前编码成像镜头包括第一镜片、相位掩膜板、第二镜片以及第三镜片；所述 第一镜片、相位掩膜板、第二镜片、第三镜片，1/3英寸图像探测器以及解码处理单元依次设 置在同一光路上；其特征在于： 所述第一镜片的前表面的曲率半径是18. 91mm，第一镜片的前表面的X方向通光半孔 径以及Y方向通光半孔径均是6. 22_ ;所述第一镜片的后表面的曲率半径是234_，第一镜 片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5. 85mm;所述第一镜片的前表 面与第一镜片的后表面之间的距离是3. 0_ ; 所述相位掩膜板的前表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4. 95_ ;所 述相位掩膜板的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4. 42_ ;所述第一 镜片的后表面与相位掩膜板的前表面之间的距离是3. 22_ ;所述相位掩膜板的前表面与 相位掩膜板的后表面之间的距离是2.Omm; 所述第二镜片的前表面的曲率半径是-34. 973mm，第二镜片的前表面的X方向通光半 孔径以及Y方向通光半孔径均是4. 43mm;所述第二镜片的后表面的曲率半径是15. 776mm， 第二镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是5. 46mm;所述相位掩膜 板的后表面与第二镜片的前表面之间的距离是2.Omm;所述第二镜片的前表面与第二镜片 的后表面之间的距离是3. 0mm; 所述第三镜片的前表面的曲率半径是33. 6240mm，第三镜片的前表面的X方向通光半 孔径以及Y方向通光半孔径均是5. 57mm;所述第三镜片的后表面的曲率半径是-26. 53mm， 第三镜片的后表面的X方向通光半孔径以及Y方向通光半孔径均是4. 24mm;所述第二镜片 的后表面与第三镜片的前表面之间的距离是5. 17mm;所述第三镜片的前表面与第三镜片 的后表面之间的距离是3.Omm; 所述第三镜片的后表面与1/3英寸图像探测器之间的距离是39. 3135mm。2. 根据权利要求1所述的波前编码成像系统，其特征在于：所述相位掩膜板的2D掩膜 函数形式是：其中： a表征三次方形相位掩膜板的相位调制强度，所述a取值是0.0130mm; x以及y均为归一化的孔径坐标，单位mm，所述x以及y取值范围均为[-4. 9513， 4. 9513] 〇3. 根据权利要求1或2所述的波前编码成像系统，其特征在于：所述波前编码成像镜 头的焦距是50臟，相对孔径1 :4. 5,全视场角约是10°，工作谱段480um~680um〇
【专利摘要】一种波前编码成像系统，包括波前编码成像镜头、1/3英寸图像探测器和解码处理单元，波前编码成像镜头包括第一镜片、相位掩膜板、第二镜片和第三镜片；第一镜片、相位掩膜板、第二镜片、第三镜片，1/3英寸图像探测器和解码处理单元依次设置在同一光路上；第一镜片、相位掩膜板、第二镜片以及第三镜片的前表面以及后表面的曲率半径、X方向通光半孔径、Y方向通光半孔径均与现有技术中的各参数不同。本实用新型提供了一种在不改变图像传感器硬件条件的前提下，能够实现超大焦深的清晰成像，还可获得对应于更小物理像元尺寸探测器的超分辨率重构图像的波前编码成像系统。
【IPC分类】G02B27/58, G02B5/30, G02B26/06, G02B27/00, G02B27/46
【公开号】CN204719330
【申请号】CN201520212622
【发明人】赵惠, 刘美莹, 解晓蓬, 樊学武
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年4月9日