一种基于ccd阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于CCD阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法，属于探测器【技术领域】，构建了像素响应函数的频域模型，利用高稳定的同频激光在远场产生正弦干涉条纹，通过改变同频激光的相对位置获得不同空间频率的条纹光场来对像素响应函数进行频域标定，分别求取各个像素响应函数的各阶定标系数，在此基础上结合傅里叶光学的方法，实现了CCD成像的重构，可实现CCD探测器的无像差成像。本发明所涉及的方法则可以标定出像素的频域响应函数，同时还能标定出各像素相对位置的微小偏移，重构的图像无采样模糊，调制传递函数(MTF)趋近于1，对比度无下降，具有定标精度高，应用前景广的特点。
【专利说明】-种基于CCD阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重 构方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学计量探测器标定【技术领域】，涉及一种基于像素响应函数的频域标 定的探测器无像差成像的频域重构方法。
【背景技术】
[0002] 光电成像探测器阵列的出现，以其便于数字化存储、传输和处理，无论是在军用上 还是民用上几乎完全替代了胶片。电荷稱合器件（Charge Coupled Device,CCD)是最常用 的探测器阵列之一，它能够把光学影像转化为离散的数字化电信号，其最小的工作单元为 像素。随着超大规模集成电路工艺的发展，CCD的分辨力、灵敏度、稳定性等技术指标有了 大幅度的提高，已被广泛应用于工业检测、机器视觉、宇航遥感、微光夜视、成像制导、数字 全息、自动监控等诸多领域。
[0003] CCD的福射响应特性反映了输入光强分布与输出灰度分布之间的关系，该特性直 接关系到相应测量系统的精度，辐射响应性能参量主要包括辐射响应度、像素间响应非均 匀性、非线性度、暗噪声等，对其进行标定的目的是建立CCD输出灰度分布与对应的输入光 强分布的相对关系，为CCD采集的图像变换为入射光的能量分布提供转换基准。经过多年 发展，CCD标定方法相继出现并不断改进，主要有能量卡计法、尖劈分光法、双缝夫琅和费衍 射法、小孔夫琅和费衍射法等。这些方法考虑的最小单位均为一个像素，即简单的认为一个 像素内的不同部位对于光的响应是一致的，标定的是单个像素的平均响应，并未考虑像素 内部的响应分布及相邻像素间的串扰。由于像素尺寸的限制，即使是理想的CCD阵列也会 引起成像的调制对比度的下降（MTF〈1)，影响成像质量。而实际的器件由于结构特点、工艺 的不均匀性及相邻像素的串扰等原因，像素内不同位置对光的响应并不一致，且像素尺寸、 网格分布也存在微小的差异。忽略这些因素将影响成像数据分析的正确性和观测结果的真 实性。
[0004] 通常用像素响应函数（PRF)来表征像素内不同位置处的光敏元对入射光的响应 输出，其定义为单位强度的点源照射在在阵列不同位置处时某一个像素的响应输出。研究 表明，像素中心响应要高于像素边缘，且毗邻的像素之间有一定的串扰。国外早在20世纪 末期就开展了较多的对于CCD的PRF的理论建模计算与实验测量的工作。通过接近衍射极 限的聚焦光斑（亚微米尺寸）扫描CCD的不同像素位置可离散的测量像素的PRF，由于受聚 焦光学系统衍射极限的限制，聚焦光斑的大小不能无限小，故其分辨率有一定的限制，且该 方法的扫描区域只能达到数个像素，测量范围小、速度慢，不适于实际工程应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决的问题是：克服传统定标技术的局限性，提供一种基于CCD阵 列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法，在频域空间标定像素响应函数，在考虑 像素间响应非均匀性的同时，重点考虑了单个像素内部的响应非均匀性及像素间的串扰， 同时能标定出像素的几何位置的微小偏差，在此基础上提出的成像频域重构算法，能近乎 完美的复现入射到CCD感光面上的光场强度分布，使探测器的调制传递函数接近于1，实现 无像差成像。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] -种基于C⑶阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法，步骤如下：
[0008] (1)搭建探测器阵列像素响应函数频域标定系统。使用相干性好、功率输出稳定的 激光器，并在自由空间中、波导结构中或光纤中把单中激光束等分成若干束；在这些激光束 中设置检相、移相装置，用于检测并移动激光束的相位；依次在这些激光束中选择任意两路 激光，使得它们彼此干涉，形成干涉场。在干涉场平面处放置待定标的CCD相机及标准辐射 度计，调节CCD平面与标准辐射度计的感光面共面，并通过数据线及控制线与计算机相连；
[0009] (2)固定空间频率下的数据采集。具体的过程如下：
[0010] (2. 1)打开激光器，调节激光器输出功率设置在规定值，选择两路输出激光束，此 时所对应的空间频率记为（kxl，k yl)，待激光器预热完成输出激光模式及功率稳定后，将标 准辐射度记移入测量光路，分别单独遮挡两束出射激光，在计算机控制下采集记录标准辐 射度记的读数In，1 21 ;去除遮挡，将待标定CCD移入测量光路，则此时入射的干涉场的光强 度分布如式（1)所示，（x，y)为CCD上的空间坐标位置，设置CCD的曝光时间与增益值为规 定值，在计算机控制下采集一组图像并取平均值，保存该平均值图像数据，记为为此时 第（m，n)像素的像素输出值；
【权利要求】
1. 一种基于C⑶阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法，其特征在于包括 以下步骤： (1) 搭建探测器阵列像素响应函数频域标定系统 使用单色且频率稳定、输出功率稳定的激光器，在自由空间中、波导中或者光纤中通过 分束器分为若干束，在每束激光中使用检相、控相装置进行锁相和移相，以在空间中产生出 具有不同空间频率的干涉条纹光场或者不分束，采用空间相位调制的方法产生干涉场；在 干涉场平面处放置待定标的CCD相机及标准辐射度计，调节CCD平面与标准辐射度计的感 光面共面，并通过数据线及控制线与计算机相连； (2) 固定空间频率下的数据采集 (2. 1)打开激光器，调节激光器输出功率设置在规定值，选择两路输出激光束并干涉， 此时所对应的空间频率记为（kxl，kyl)，待激光器预热完成输出激光模式及功率稳定后，将 标准辐射度记移入测量光路，分别单独遮挡两光纤出射端口，在计算机控制下采集记录标 准辐射度记的读数In，I21 ;去除对光纤的遮挡，将待标定CCD移入测量光路，则此时入射的 干涉场的光强度分布如式（1)所示，（x，y)为C⑶上的空间坐标位置，设置C⑶的 曝光时间与增益值为规定值，在计算机控制下采集一组图像并取平均值，保存该平均值图 像数据，记为Imnl，即第（m，η)像素的像素输出值；
式中只为两束激光束的相位差； (2.2)依次选择任意两路激光束进行干涉，重复步骤（2. 1)，即可获得不同（kxj，kyj)下 的Ilj,I2j，其中j= 1、2、3……J，J代表任意两路激光束的总组合数； (3) 非线性最小二乘拟合标定像素响应函数的各阶系数 像素响应函数的频域表达式如式（2)所示，式中x_ym为像素（m，η)的理论中心点坐 标，Axni,Ayni为实际中心点与理论中心点的偏移量，qm(l，qml,q^，...为像素响应函数的各 阶系数，实际取的级次越多，的精度越高，
像素响应输出值Imn满足式⑶的表达式，将第⑵步获取的数据代入 式（3)，获得一组由J个非线性方程构成的方程组，为保证方程组有解，标定系数 Δxm,Δym,qmn(l,q^，qmn2, . . .qmnL的个数必须小于等于方程个数，即要求J彡L+2,通过非线性 最小二乘拟合即得到L+2个标定系数Δxm,Δym,qmn(l,Qmnl,Qmn2, . . .qmnI；，从而可确定像素响应 函数的频域表达式(Uy)的具体形式，为在频域空间计算入射光场的各阶频域分量提 供已知参量，以实现成像的频域重构； =Clmn〇{h+Il)+ ,. v； ^ (3) 2""",〇 (1+仏,"A2+ι,,,Λ2+(u/A+ …)c〇s[t(?,,, + )+夂(少画 + (4) 对阵列规模为NXN的CCD，基于像素网格的结构，使用式（4)所示的离散频率形 式，（kg，kh)为所取的空间频率，离散步长^=6\.=^^，其中1)为像素尺寸；
对任意的入射光场的光强分布S(x，y)，C⑶阵列将输出一副NXN像素组成的离散图 像，任意像素（m，η)的像素输出值I'mn为已知量，且用式（5)所示频域的离散形式表示，求 解由NXN个线性方程构成的线性方程组可求得S(U,);
(5)入射光场的光强分布S(x，y)可通过对的傅里叶逆变换获得，将步骤（4) 中求得的Spg,代入公式（6)所示的离散傅里叶逆变换表达式，即求得重构的入射光场 白勺跑瘡公右.
【文档编号】H04N5/365GK104320598SQ201410636980
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】相里斌, 张泽, 熊胜军, 何洋 申请人:中国科学院光电研究院